Актуальность темы
Восполнение запасов полезных ископаемых требует совершенствования теории и методики геофизических исследований на всех этапах геологоразведочных работ. Создание новых способов и методик истолкования геофизических полей позволяет эффективно решать сложные геологические задачи. Пространственная изменчивость физических свойств наблюдается при проведении геофизических работ разных масштабов, в различных геологических условиях: при изучении зон метасоматических изменений, при-контактовых термальных изменений, железорудных, меднорудных, золоторудных и других месторождений. На Урале широко распространены метаморфические комплексы, для которых непрерывная пространственная изменчивость состава обусловливает пространственную изменчивость свойств. Актуальность работы вытекает из того, что решение прямой задачи для сред с произвольным законом изменения свойств позволяет изучать участки со сложным геологическим строением.
Изучение напряженного состояния геологической среды влечет за собой расширение круга решаемых задач в условиях сокращения рынка геофизических услуг. Всестороннее изучение геологической среды позволяет полнее использовать имеющиеся ресурсы.
Актуальность темы
подтверждается публикациями на эту тему в ведущих геофизических журналах страны (Булах Е.Г. 2007, 2008 и др,).
Напряженно-деформированное состояние массивов горных пород обусловливает пространственную изменчивость плотности и намагниченности, что в свою очередь находит отражение в интенсивности наблюдаемых гравитационного и магнитного полей. Влияние НДС на величину измеряемого поля существенно меньше влияния изменения вещественного состава. Тем не менее этот эффект заметен, что создает основу для оценки НДС по измерениям гравитационного и магнитного полей. Поэтому создание интерпретационных моделей учитывающих НДС геологической среды является актуальной задачей теории и практики геологического истолкования гравитационных и магнитных полей.
Несмотря на большое количество исследований в данном направлении отличительные особенности взаимосвязей потенциальных полей и характеристик напряженно-деформированного состояния геологической среды для различных геолого-геофизических обстановок не выяснены. При проведении тектонофи-зического анализа используется аппроксимация геологической среды набором большого количества материальных точек, не оценивается погрешность аппроксимации среды.
Цель и задачи работы. Цель работы — создание методики описания распределения плотности и намагниченности, адекватно отражающей реальную геолого-геофизическую ситуацию, предоставляющую возможность расчета полей и оценки напряженного состояния среды по гравитационному и магнитному полям.
Для достижения цели были решены следующие задачи:
— разработана методика аппроксимации геологических поверхностей кубическими сплайнами, которая позволяет создавать эффективные вычислительные схемы для алгоритмов решения прямых задач магниторазведки;
— разработана методика аппроксимации физических свойств геологической среды с непрерывным пространственным изменением плотности и намагниченности кубическими сплайнами, отличающаяся возможностью оценки точности приближения;
— получена формула вычисления магнитного поля прямоугольного параллелепипеда, намагниченность которого определена полиномом третьей степени;
— получены формулы расчета гравитационного и магнитного полей для тел с латеральной и вертикальной изменчивостью плотности и намагниченности с использованием кубических сплайнов;
— созданы программы для вычисления гравитационного и магнитного полей для геологической среды с произвольным законом пространственного изменения физических свойств;
— получены выражения компонентов тензора деформации и вектора смещения упругого полупространства, напряженно-деформированное состояние которого обусловлено плотностными неоднородностями правильной геометрической формы, для которых известны аналитические выражения вычисления гравитационного и магнитных полейсозданы программы для вычисления параметров напряженно-деформированного состояния среды (НДС) и выполнены расчеты компоненты тензора чистой деформации (КТД) и компоненты вектора смещения (КВС) для выше названных источников при различных параметрах тел (мощность, глубина до верхней и нижней кромки, угол падения, плотность и др.);
— установлены отличительные особенности взаимосвязей пространственного распределения гравитационного поля и параметров НДС для различных геолого-геофизических обстановок. Выделены три группы объектов с различными типами таких взаимосвязей;
— разработана методика вычисления компонентов вектора смещения и тензора чистой деформации для выделенных групп тел по измеренным гравитационному и магнитному полю;
— по наблюденным потенциальным полям проведена оценка напряженно-деформированного состояния геологической среды для конкретных геологических ситуаций.
Защищаемые положения:
Первое защищаемое положение: кубические сплайны являются эффективным способом описания закономерностей пространственного изменения плотности и намагниченности геологических объектов.
Второе защищаемое положение: установлено три типа зависимости параметров напряженно-деформированной состояния среды и силы тяжести для тел простой геометрической формы: взаимнооднозначная, корреляционная и многозначная.
Научная новизна. Разработана методика описания плотности и намагниченности геологических объектов кубическими сплайнами, которая позволяет не только описать любые встречающиеся в практике случаи, но и оценить погрешность такого описания. Установлена возможность замены существующих моделей с непрерывным изменением свойств сплайн-моделями.
Получены выражения для вычисления напряженности гравитационного и магнитного полей горизонтального слоя и прямоугольного параллелепипеда, свойства которых заданы кубическими сплайнами. На этой основе разработана методика вычисления физических полей для любой геолого-геофизической ситуации.
Разработана методика решения обратных задач гравиразведки и магниторазведки на основе аппроксимации пространственной изменчивости физических геологической среды кубическими сплайнами.
Получены аналитические выражения компонентов тензора деформации и компонентов вектора смещения упругого полупространства, напряженно-деформированное состояние которого обусловлено плотностными неоднород-ностями правильной геометрической формы (уступ, прямоугольный параллелепипед, пластина и др.).
Для материальной точки, горизонтального стержня, вертикального стержня установлены аналитические зависимости, а для некоторых тел правильной геометрической формы корреляционные зависимости, связывающие аномальное гравитационное поле и характеристики напряженного состояния геологической среды. Выделены три вида геолого-геофизических обстановок, отличающиеся характером взаимосвязи силы тяжести и характеристик напряженно-деформированного состояния среды.
Разработана методика оценки напряженно-деформированного состояния геологической среды по наблюденным геофизическим полям, отличающаяся более широким набором элементарных модельных тел и учетом характера взаимозависимостей силы тяжести и параметров напряженно-деформированного состояния геологической среды.
Апробация работы. Результаты проведенных исследований обсуждались на 5 Уральской конференции «Применение математических методов и ЭВМ при обработке информации на геологоразведочных работах» (1986), на научно-технической конференции Свердловского горного института (1990), на Всероссийской конференции «Применение геофизических методов при решении геологических, инженерно-геологических и экологических задач» (Пермь, 1994), на сессиях международного семинара им. Д. Г. Успенского «Вопросы теории и практики геологической интерпретации гравитационных, магнитных и электрических полей» (Ухта, 1998, 2008; Екатеринбург, 1999, 2002, 2006; Пермь, 2005), на конференции «Геофизические методы при разведке недр и экологических исследованиях» (Томск, 2002), на региональной научно-практической конференции «Геология и полезные ископаемые Западного Урала» (Пермь, 2008).
Практическая значимость работы. Разработанные петрофизические модели могут применяться при интерпретации геофизических данных для решения задач как нефтегазовой, так и рудной геологии разных масштабов. Результаты исследований внедрены в ПГО «Севвостгеология» и ПО «Сильвинит». Методики оценки НДС могут применяться при истолковании гравитационного и магнитного полей, при изучении тектонического строения изучаемых территорий. Методические разработки поддерживаются созданным автором программным обеспечением для ЭВМ. Программы расчета параметров НДС после небольшой модификации используются Днепровской экспедицией. Результаты работ переданы в виде отчета геофизическим организациям — заказчикам работ, на них получены акты внедрения.
Достоверность получаемых результатов основана на результатах расчетов, выполненных для теоретических моделей. После появления версии 5.0 математического пакета Mathematica некоторые простые формулы удалось проверить с его помощью.
Фактический материал и личный вклад. Представленные в работе методики моделирования сложных геологических среди, программы аппроксимации геологических поверхностей, распределения плотности и намагниченности, расчета магнитного и гравитационного полей и параметров НДС созданы автором. При решении выше перечисленных задач проводились теоретические исследования, физическое и математическое моделирование, в том числе с применением математических пакетов Mathematica и Mathcad.
В работе использовались результаты полевых наблюдений потенциальных полей, выполненных при участии автора, а также материалы, предоставленные геофизическими предприятиями, для выполнения хоздоговорных научно-исследовательских работ, в которых автор принимал участие в качестве исполнителя и ответисполнителя, а некоторые из них основаны на опубликованных в печати материалах, что оговорено в тексте.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, в том числе одна статья в журнале из перечня ВАК.
Объем работы и структура. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, общим объемом 105 страниц, 55 иллюстраций, 3 таблиц, списка литературы, включающего 110 наименований.
Работа выполнена в Институте геологии и геофизики Уральского государственного горного университета под руководством доктора геолого-минералогических наук, заслуженного геолога Российской Федерации В. В. Филатова, которому автор выражает благодарность за всестороннюю помощь и поддержку при выполнении работы.
Благодарности. Автор благодарит своих коллег проф. В. И. Бондарева, доц. С. М. Крылаткова, д.г.-м. н. А. С. Долгаля, проф. А. В. Давыдова, чл. корр. РАН Ю. Н. Субботина, проф. В. М. Сапожникова, проф. В. В. Бабенко, д.ф.-м. н.В. А. Кочнева, В.Б. д.г.-м.н. Писецкого, доц. Ж. Н. Александрову, проф. А. Г. Талаая, проф. Г. С. Возженникова, проф. И. Г. Сковородникова, д.т.н. О. В. Зотеева, чьими советами и помощью он неоднократно пользовался. В ходе работы автор получал помощь многих сотрудников и студентов ИГИГ. Всем указанным лицам автор выражает глубокую благодарность.
Автор выражает благодарность участникам семинара им. Д. Г. Успенского за обсуждение работы, сотрудникам объединения «Уралкалий», Центральной геофизической экспедиции Центральной комплексной тематической экспедиции ПГО «Севвостгеология», ФГУП «Челябгеолсъемка», ОАО «Баженовская экспедиция», Днепровской геолого-геофизической экспедиции, оказавшим помощь в процессе работы и предоставившим материалы для работы.
ВЫВОДЫ.
1. Разработана эффективная методика вычисления параметров НДС по гравитационному полю, основанная на аппроксимации геологической среды телами правильной геометрической формы.
2. Разработана методика вычисления параметров НДС по измеренному магнитному полю.
3. Разработана методика решения прямых и обратных задач тектоногравиметрии и тектономагнитометрии для разломных зон.
4.4. Оценка напряженного состояния геологической среды.
Структурно-петрофизический анализ играет важную роль в изучении геодинамики рудоносных структур [4, 27, 32, 47 — 49, 81, 82]. Геодинамические построения чаще всего проводятся без привлечения геофизических данных. В предшествующих главах было показано, что анализ напряженного состояния геологической среды на основе гравитационного и магнитного полей позволяют получить дополнительную информацию для таких построений.
4.4.1 Карамкенский участок.
Карамкенский рудный район расположен в бассейне рек Армани и Олы. Он приурочен к внешней зоне Охотско-Чукотского вулканического пояса и включает участки сочленения Магадавен-Хасынского поднятия с Арманской и Оль-ской вулкано-тектоническими депрессиями [108]. Арманская вулкано-тектоническая депрессия большинством исследователей рассматривается как единая, выполненная продуктами кислого вулканизма, и классифицируется преимущественно как кальдера обрушения. На основе размещения магматических образований и гравиметрических материалов А. А. Красильников в составе Арманской депрессии выделил: 1. Аганскую очаговую структуру- 2. Карамкен-скую, Нижне-Аганскую, Мишстинскую палеокальдеры- 3. три субвулканические постройки: Нижне-Нанкалинскую, Утеснинскую, Пари.
Карамкенская палеокальдера расположена в междуречье рек Хасын и Нельканджи и приурочена к узлу пересечения Хасын-Магадавенского и Момо-лотыкис-Гайчинского глубинных разломов. Форма палеокальдеры в плане неправильная, приближающаяся к равнобедренному треугольнику с основанием 7 км и высотой 5 км, с округлыми вершинами и сторонами, ориентированными в северо-западном, субширотном и северо-восточном направлениях. В целом ориентировка структуры северо-западная, 320−330°, близкая к общему направлению складчатости геосинклинальных отложений Ола-Арманского междуречья. На рассматриваемой территории находятся Карамкенское месторождение и несколько рудопроявлений.
Карамкенская палеокальдера выполнена стратифицированными отложениями хольчанской свиты (туфы, ингимбриты, лавы дацитов, прослои вулкано-генно-осадочных пород) мощностью 50 — 160 м (сг = 2.6 г/см3, z = 224-Ю" 5 ед. Си, 1п=0.0034А/м), улынской свиты (андезиты, андезито-базальты, реже туфы).
Л f мощностью 50 — 100 м (2.74 г/см, 233−10″ ед. Си, 0.0176 А/м) и ольской свиты (туфы, ингимбриты липаритов, туфопесчаники) мощностью 50 — 200 м (2.53 г/см3, 332−10″ 5,0.229 А/м). Мощность свит закономерно возрастает от краев к центральной части кальдеры. В центральной части структуры вулканогенные образования залегают субгоризонтально, а на окраинах имеют пологое (10 — 30°) центриклинальное падение.
Вулканоструктура имеет тектонические взаимоотношения с терригенными отложениями арманской и покровами науралийской свит в окраинах Магадавен-Хасынского поднятия, прорванных интрузиями гранитов. Юго-западное ограничение кальдеры — прямолинейный крутопадающий сброс северозападного простирания. Северо-восточное ограничение кальдеры совпадает с серией полукольцевых разломов, полого (25 — 60°) падающих на юго-запад. Северо-западный и юго-восточный фланги ограничены сериями прямолинейных и дугообразных, преимущественно крутопадающих разломов. Основание Карамкенской вулканоструктуры сложено околожерловыми образованиями андезитового состава, прорванными интрузиями дацитов и плагиогранитпор-фиров. Кальдера выполнена эксплозивными образованиями андезито-дацитового и дацитового состава. По мнению ряда исследователей (С.С. Юдин, JI.B. Скибина, В. Т. Семынин, Г. М. Юдин и др.) Карамкенская вулканическая структура состоит из трех сближенных воронкообразных экструзивно-покровных базальт-риолитовых тел с поперечником до 1.5 км, образующих несколько вытянутую в северо-западном направлении цепочку [108].
К периферии структуры приурочены трещинные субвулканические тела дацитов и липаритов, а к центральной — экструзии липаритов, некки и дайки диоритовых порфиритов и базальтов, имеющих преимущественно широтное простирание. Наибольший интерес представляет северо-восточная окраина кальдеры, где расположена субвулканическая интрузия андезитов, их брекчий и липаритов посткальдерного комплекса, слагающая сложное трещинное тело полукольцевой формы. Интрузия имеет преимущественно крутые (до вертикальных) тектонические контакты со стратифицированными отложениями кальдеры.
Для изучения геологического строения Карамкенского рудного поля были проведены гравиметрическая и магнитная съемки масштаба 1:10 000. Из наблюденного поля силы тяжести был исключен линейный фон, обусловленный границей суша — океан и построена карта А^Лок масштаба 1:10 000. В дальнейшем при проведении расчетов использовались значения локального гравитационного поля. По результатам магнитной съемки построена карта AZ масштаба 1:10 000.
Важная особенность палеокальдеры: наличие мощной широтной серии разломов, в которой центральное положение занимает Главный широтный разлом. Анализ структурных деталей выявил отчетливую картину существенных левосдвиговых деформаций. Широтные разломы принадлежат к крупнейшей трансрегиональной Момолтыкис-Гайчинской зоне, а меридиональное направление относится к скрытому Карамкен-Агатовскому региональному разлому. Разломы субширотного простирания контролировали гидротермальную деятельность. Сдвиговые движения вдоль широтных разломов приводили к раскрытию ранее существовавших трещин северо-восточного простирания, что способствовало движению по ним гидротерм. Субширотные разломы играли роль барьеров на пути движения гидротерм. Обычно это протяженные, сближенные, субпараллельные швы, заполненные тектоническими глинами мощностью до 1 м, свидетельствующие о преобладающем режиме сжатия. На плане изодинам широтные разломы отражаются смещением изолиний вдоль оси разлома, амплитуда сдвиговых перемещений достигает 150 м. i-.J, А/м 2400 X, м.
ТТЛ 2.
ZZ23 х х А.
J5 1.
Н, м ч.
Л ^ ч ч ч * I v ч — I * vc Л X, М V.
Рис. 4.11. Геолого-геофизический разрез по профилю, пересекающему Главный широтный разлом (а):
1 — улынская свита, лавы андезито-базальтов- 2 — зона разлома- 3 — трещинные тела, установленные по данным магниторазведки- 4 — диоритовые порфириты, 5 — наблюденное поле AZ, 6 — кривая Ag, 7 — вычисленное по от сплайн-модели поле Za, 8 — подобранный сплайн намагниченности.
На рис. 4.11 представлен геолого-геофизический разрез по профилю, пересекающему Главный широтный разлом. Зона разлома шириной около километра имеет сложное зональное строение, которое четко отражается в магнитном поле. На фоне поля, обусловленного породами улынской свиты и габбро-диоритов, выделяется аномалия трещинного тела субвулканитов.
Разрывные нарушения субмеридионального простирания самые древние. Большинство признаков субмеридиональных нарушений указывает на их длительное функционирование, как магмоконтролирующих структур в условиях растяжения. В поле силы тяжести разломы меридионального и северозападного простирания отмечаются цепочками локальных аномалий интенсивностью до 1.5 мГал, в магнитном поле они выявляются линейными аномалиями и замыканием изолиний вдоль оси разлома. На рис. 4.12 представлен геолого-геофизический разрез, на котором меридиональный разлом отмечается отрицательной аномалией интенсивностью -320 нТл, к западной части этого разлома приурочены рудные тела.
AZ, нТл.
UZH ma юз.
Ш4.
Рис. 4.12. График магнитного поля вдоль профиля пересекающего разломы субмеридионального простирания (б):
1 — туфы кислого состава, 2 — экструзии дацитов, 3 — габбро-диориты, 4 — зоны разломов, 5 — кривая AZ.
Гидротермальная проработка привела к существенному уменьшению намагниченности пород, причем по данным петрофизических исследований влияние на магнитную восприимчивость сильнее, чем на остаточную намагниченность. В пределах рудных зон физические свойства определяются не первичным составом пород, а степенью гидротермальной проработки. Ширина области гидротермальной проработки в разломных зонах может достигать километра.
К участкам оруденения приурочены мощные зоны разуплотнения, их размеры по простиранию достигают 2 км, ширина до 300 м, глубина превышает 500 м, плотность пород в зоне разуплотнения уменьшается до 2.40 г/см, а дефект плотности по отношению к вмещающим породам достигает -0.2 г/см3. Магнитное поле рудных зон спокойное, с отрицательными значениями до 100 нТл.
Автором была создана объемная плотностная модель зоны разуплотнения, составленная из прямоугольных параллелепипедов с разной глубиной до нижней кромки (рис. 4.13). Для модели были вычислены значения дилатации и коэффициентов Лодэ — Надаи. Результаты расчетов в виде планов изолиний приведены на рис. 4.13. Даже для простой модели план изолиний коэффициента Ло-дэ-Надаи имеет очень сложный вид, на нем присутствует 4 экстремума (рис. 4.13.1). При наличии большого количества аномалиеобразующих объектов план изолиний будет очень сложным и его истолкование стало бы крайне затруднительным. Поэтому расчеты коэффициента Лодэ — Надаи для Карамкенского участка не проводились.
Рис. 4.13. План изолиний коэффициента Лодэ — Надаи (1), план изолиний дилатации (2) и контур плотностной модели зоны разуплотнения (3) оцифровка изолиний дилатации в 10″ 9.
По локальным аномалиям поля силы тяжести были вычислены главные компоненты ТД, построен план изолиний дилатации, представленный на рис. 4.14. По совокупности геолого-геофизических данных автором построена схема основных сжимающих и растягивающих усилий (рис. 4.15).
Мозаично-блоковое геологическое строение Карамкенского участка обусловило сложный характер наблюдаемых физических полей и поля дилатации. Карамкенская палеокальдера характеризуется знакопеременными значениями дилатации от -20−10 до 15−10, т. е. амплитуда изменений невелика. Хорошо в поле дилатации отразились разрывные нарушения широтного и северозападного простирания. Главный широтный, Средний широтный, Южный широтный разломы выявляются по замыканию вдоль их осей изолиний дилатации. Четко на плане проявлен наиболее древний и долгоживущий разлом субмеридионального простирания. На плане изолиний дилатации Карамкенского участка (рис. 4,14) в околоразломной зоне меридионального разлома наблюдается аномалия аналогичная теоретической аномалии зоны разуплотнения. Максимумы этой аномалии соответствуют пересечению меридионального разлома с разломами других направлений. Геофизические данные подтверждают наличие деформаций растяжения в зоне его динамического влияния, ей соответствуют положительные значения дилатации. На плане в пределах палеокальдеры наблюдается полоса положительных значений дилатации северо-западного простирания, соответствующая области деформации растяжения. С севера к этой полосе примыкает месторождение (рис. 4.14).
ЕЕШ ЕЕ32 S3 ЕЕИ.
EEJ5.
Рис. 4.14. План изолиний дилатации Карамкенского участка: 1 — изолинии отрицательных значений, 2 — изолинии нулевых значений, 3 — изолинии положительных значений, 4 — разрывные нарушения, 5 — контур палеокальдерыоцифровка изолиний в 10″ 9.
Милонитовые швы северо-восточного простирания, к которым приурочены рудные жилы, отражаются в физических полях аномалиями малой интенсивности, количественная интерпретация которых затруднительна. Это связано с их малыми размерами — 2 — 40 м. Формирование палеокальдеры сопровождалось внедрение многочисленных штокообразных и трещинных тел наиболее полно развитых вдоль северо-восточного борта структуры, который является наиболее рудоносным. Трещинные тела отмечаются магнитными аномалиями в первые сотни нТл.
CZZH Oa чТЗПЗ ГГП4 nm 5.
12 236 EZZ37 Е38.
Рис. 4.15. Схема ориентировок сжимающих и растягивающих усилий Карам-кенского участка:
1 — ольская свита, туфы смешанного состава- 2 — арманская свита, вулканоген-но-осадочные отложения, туфопесчаники, туфы среднего состава- 3 — нарау-лийская свита, туфы, вулканические брекчии- 4 — граниты, 5 — диориты, 6 — зоны разуплотнения- 7 — траектории осей растяжения, 8 — траектории осей сжатия.
4.4.2 Полетаевская площадь.
Полетаевская площадь находится на территории Челябинской области. На момент выполнения работы геологической карты масштаба 1:200 000 Полетаев-ской площади не существовало, но на эту территорию имелись изданные карты поля силы тяжести масштаба 1:200 000. Оценка напряженного состояния проводилась в рамках проекта геологического доизучения площади.
Для оценки НДС Полетаевской площади по гравитационному полю была составлена ее плотностная модель. Физические свойства горных пород модели были получены частично в результате измерений, частично, особенно упругие свойства, по литературным данным. В табл. 4.1 приведены физико-механические характеристики пород Полетаевской площади.
При составлении начального приближения плотностной модели были использованы рабочие материалы В. В. Бабкина и Н. С. Кузнецова и [79]. В дальнейшем модель уточнялась методом последовательных приближений. Правильность плотностной модели оценивалась сопоставлением наблюденного и вычисленного для модели полей. Объемная плотностная модель Полетаевской площади состоит из 4 прямоугольных параллелепипедов аппроксимирующих региональную составляющую, а также из 11 прямоугольных параллелепипедов и 20 материальных точек аппроксимирующих локальные объекты. Погрешность аппроксимации гравитационного поля составила 0.7 мГал.
Физико-механические свойства пород Полетаевской площади. Таблица 4.1.
Название горной породы Плотность, г/см3 Модуль Юнга, МПа Коэффициент Пуассона.
1 Андезит 2.78 4.7 0.17.
2 Базальт 2.75 7.8 0.24.
3 Диабаз 2.82 ;
4 Диорит 2.80 7.1 0.21.
5 Гнейс 2.70 2.5 0.12.
6 Гранит 2.67 5.1 0.17.
7 Известняк 2.71 6.1 0.27.
8 Песчаник 2.65 3.5 0.08.
9 Туф 2.60 5.0 0.20.
10 Амфиболит 3.00 9.0 0.46.
Характер гравитационного поля, имеющиеся геологические материалы, опыт расчета на других объектах позволили сделать вывод о статистической связи КТД и Ag, установить корреляционную зависимость ?¦,-,• (Ag) и проводить расчеты по методике изложенной в разд. 4.1. Расчеты проводились как для абсолютных значений, так и для избыточных плотностей.
По результатам вычислений были построены планы изолиний КТД, дилата-ции, интенсивности деформаций. На рис. 4.16 представлены планы изолиний главных значений КТД. Результаты расчетов показывают, что первое и второе главные значения горизонтальны и имеют соответственно субширотную и субмеридиональную ориентировку. Третье главное значение ТД имеет вертикальное направление, его абсолютная величина в 2 — 3 раза превышает абсолютные величины первых двух главных значений ТД. Первое и второе главные значения характеризуют деформации сжатия, третье — деформации растяжения. Для Полетаевской площади были вычислены параметры НДС при действии сил одинаковой величины отдельно для каждого из трех взаимно перпендикулярных направлений (X, Y, Z), т. е. оценивался вклад тектонических сил в НДС. По результатам вычислений были построены планы изолиний и вертикальные карты КТД по отдельным профилям. Результаты расчетов скорректированы с учетом изменения модуля Юнга и коэффициента Пуассона в соответствии с методикой изложенной в первой части главы.
Рис. 4.16. План изолиний первой главной компоненты (а), второй главной компоненты (б) и третьей главной компоненты (в) тензора деформации Полета-евской площади;
1 — Челябинский гранитоидный массив, 2 — Коелгинский гранитоидный массив, 3 — Челябинский грабен — оцифровка изолиний на планах в 10~9:
В центре площади наблюдается участок с преобладанием деформаций растяжения, такие проницаемые зоны благоприятны для циркуляции гидротермальных растворов и перспективны на обнаружение оруденения. НДС при действии вертикально направленных сил представлено картой дилатации и разрезом по профилю, пересекающему перспективный участок. Верхняя часть разреза этой территории под действием гравитационных сил испытывает деформации растяженияувеличение деформаций растяжения наблюдается в восточной части площади. Для перспективного участка по центральному профилю проведены расчеты дилатации при различной ориентировке действующих сил. Оказалось, что при действии силы северо-западного направления величина дилатации наибольшая по всему профилю, т. е. участок обладает механической анизотропией. Он наиболее деформируем при действии сил СЗ направления, и как следствие на участке должна проявиться соответствующая ортонормальная система разрывных нарушений. Такая же картина наблюдается в пределах, недалеко расположенной Томинской зоны, можно высказать предположение о их единой тектонической истории и сдвиговой природе этих нарушений [79]. На отчетной геологической карте масштаба 1:200 000 разрывные нарушения СЗ направления стали доминирующими.
По мнению авторов [79] Полетаевская площаль находится в западной части Челябинского палеорифта, который в значительной степени переработан последующими геологическими процессами. Механическая анизотропия — характерная черта рифтовых структур, характер наблюдаемых полей и их геодинамический анализ не противоречат гипотезе палеорифта.
На рис. 4.17 представлены планы векторов Vs и Vнебольшого участка Поле-таевской площади.
4.4.3 Балахонцевский участок.
После ававрии на БКРУ-3 по заказу производственных объединений «Уралкалий» и «Сильвинит» проводилась оценка напряженного состояния Ба-лахонцевского участка, на котором находится аварийная шахта. Балахонцевский участок административно расположен в Усольском районе Пермской области, в 15 км к югу от г. Березняки. В геологическом отношении участок расположен в районе пересечения двух прогибов — Камского и менее выраженного Дурыманского, разделенных Брезняковским поднятием. Само пересечение прогибов находится за пределами шахтного поля БКРУ-3. Дурыманский прогиб является структурным «заливом» более крупного Камского прогиба, а рассматриваемый участок расположен в пределах этого «залива» [108, 110].
В надсолевой части месторождения выделяют: верхнюю переходную зону, глинисто-мергелистую толщу, терригенно-карбонатную толщу, пестроцветную толщу.
Анализ НДС Верхнекамского месторождения имеет некоторые отличительные особенности, которые присущи любой территории с широким распространением соляных пород. Соляные породы отличаются от других пород ярко выраженным эффектом ползучести, т. е. при действии давления в течение небольшого по геологическим масштабам времени они переходят в состояние вязкого течения. При сильном увлажнении также себя ведут глины, которые широко распространены и на участке, и на всей остальной территории месторождении. НДС таких территорий в значительной степени формируется современными тектоническими процессами и индустриальной деятельностью человека.
V. W / / / / /.
N / / * S s •* —-/ / / ^ ^ ч—? / / ^ V" - / / /Vv (% /V/ t |Чч.
11/1.
S 1 I / /.
I ' / / / '.
Рис. 4.17. План векторов Vs на одном из участков Полетаевской площади (а) — план изолиний участка Полетаевской площади (б).
Задача оценки НДС в полной постановке должна быть динамической. Изучение физико-механических свойств пород Верхнекамского месторождения [109] позволяет сделать вывод о том, что соляные породы без прослоев песчаника, глин и т. д. обладают высокими значениями коэффициента Пуассона, особенно карналлиты, у которых его величина достигает 0.49. При таких высоких значениях коэффициента Пуассона слагаемые с множителем (l-2v) в формулах главы 3 становятся очень малыми и ими можно пренебречь. При этом сохраняются слагаемые, связанные с действием сосредоточенной силы, и слагаемые, связанные с наличием свободной поверхности. Например, выражение для материальной точки принимает вид:
Mg{ l + v) 2 Н 3. x2 Н при v=0,49 получим:
4.60).
4.61) er* [ r2.
Некоторые характеристики НДС можно считать равными нулю. Подобным образом меняются КТД. КТН. КТН любых источников: призм, стержней, параллелепипедов и т. д.
Рельеф местности участка спокойный, заметного влияния на НДС не оказывает. Оценка НДС Верхнекамского месторождения была проведена по данным гравиметровой съемки масштаба 1:100 000. Напряженное состояние Верхнекамского месторождения определяется горизонтально слоистым геологическим строением. НДС территории в первом приближении близко к НДС обусловленным горизонтальной пластиной. Это позволило избрать корреляционную схему расчета параметров НДС (разд. 4.1). Результаты расчетов в виде планов изолиний представлены на рис. 4.18. Месторождение калийных солей находится в переходной зоне смены знака характера деформаций. На плане горизонтальных компонент с запада на восток происходит смена деформаций сжатия на деформации растяжения. На плане вертикальной компоненты с запада на восток деформации растяжения сменяются деформациями сжатия. Ориентировка горизонтальных КТД согласуется с направлением линеаментов, выделенных по результатам дешифрирования аэрофотоснимков. Месторождение находится в градиентной зоне НДС, неустойчивой к изменению механического режима территории. Эта неустойчивость проявляется в смене ориентировки КТД в соседних расчетных точках (рис. 4.18.а).
Главная особенность тектонического строения шахтного поля на Балахон-цевском участке состоит в том, что восточная часть приподнята по отношению к западной более чем на 40 м. Однако заметного отражения в поле деформаций обусловленных действием силы тяжести эта особенность не имеет в силу малой, а б.
Рис. 4.18 а) Результаты расчетов деформаций вблизи земной поверхности в южной части Верхнекамского месторождения:
1 — величина и направление деформации сжатия, 2 — величина и направление деформации растяжения, 3 — населенные пункты б) План изолиний вертикальной компоненты тензора деформации южной части Верхнекамского месторождения:
1 — изолинии деформации сжатия, 2 — нулевые изолинии, 3 — изолинии деформации растяжения.
Наличие рыхлой каменной соли свидетельствует о том, что первоначально, до развития техногенных секущих трещин и трещин расслоения, соль находилась в повышенно (по отношению к вмещающим породам) напряженном состоянии, что связано с высоким содержанием газа в солях. Значительных отклонений в геологическом строении Балахонцевского участка по отношению к другим частям месторождения не установлено. Катастрофические явления на данном месторождении следует связывать с проводимыми горными работами, влияние геологического строения вторично.
Рис. 4.19 График вертикальной компоненты тензора деформации по профилю, пересекающему южную часть Верхнекамского месторождения. Стрелкой отмечено положение Балахонцевского участка, вертикальный масштаб разреза увеличен в 10 раз.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
Основным результатом работы является создание новых типов физико-геологических моделей с изменяющимися в пространстве плотностью и намагниченностью, которые дополняют широко распространенные модели с кусочно-постоянными свойствами, а также эффективная технология оценки напряженного состояния геологической среды по измеренным потенциальным полям.
В работе представлена технология описания геологических поверхностей сплайнами различного вида, в зависимости от характера поверхности. Технология разработана для двухмерного и трехмерного вариантов.
Разработана методика описания пространственного распределения плотности и намагниченности на основе кубических сплайнов в двухмерном и трехмерном вариантах.
Получены выражения для вычисления гравитационного и магнитного полей прямоугольного параллелепипеда, свойства которого описаны полиномом третьей степени.
Получены выражения расчета гравитационного и магнитного полей для физико-геологических моделей с произвольным законом изменения плотности и намагниченности в вертикальном и горизонтальном направлениях. Предлагаемая технология позволяет вычислить погрешность, с которой проводится аппроксимация среды. Для расчетов составлены программы для ЭВМ.
Разработана методика описания изменчивости плотности и намагниченности в трехмерном пространстве и способы решения прямых задач для таких физико-геологических моделей.
Разработаны алгоритмы решения обратных задач гравиразведки и магниторазведки для физико-геологических моделей геологической среды с непрерывным пространственным изменением физических свойств в горизонтальном и вертикальном направлениях.
Установлена взаимосвязь между параметрами напряженно-деформированного состояния геологической среды и величиной силы тяжести для объектов простой геометрической формы, в том числе прямоугольного параллелепипеда.
Установлены группы объектов, для которых зависимость характеристик напряженно-деформированного состояния от величины силы тяжести описывается взаимно однозначной функцией, и группа объектов, для которых эта зависимость корреляционная.
Создана методика расчета параметров НДС по данным измерений силы тяжести, на основе аппроксимации геолого-геофизической обстановки объектами правильной геометрической формы. Методика реализована в программном обеспечении ЭВМ. Методика опробована на практических примерах, результаты исследований и программное обеспечение переданы трем производственным организациям.
Разработана физико-геологическая модель разломных зон, учитывающая особенности распределения в них плотности, намагниченности и напряжений.
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ.
НДС — напряженно-деформированное состояние геологической среды;
ТД — тензор деформации;
КТД — компоненты тензора деформации;
КТН — компоненты тензора напряжений;
КВС — компоненты вектора смещения;
Ag — поле силы тяжестиu, v, w — компоненты вектора смещения;
Z — вертикальная составляющая вектора магнитной индукции;
Сту — компоненты тензора напряженийу — компоненты тензора деформации;
Е — модуль Юнгаv — коэффициент Пуассонак — гравитационная постояннаяст — плотность- — магнитная восприимчивостьJ- намагниченность.
