Образования трещин, их

В процессе работ автором был собран и проанализирован материал по результатам разведочных работ на месторождении «Юбилейное», выполнен геомеханический и геолого–структурный анализ трещиноватости и пространственного положения активных тектонических разломов в скальном массиве вулканогенных пород Петропавловского рудного поля.

Методы исследований. Предмет исследований диссертационной работы находится на стыке ряда отраслей знаний, среди которых можно выделить гидрогеологию, геоэкологию, геомеханику, геологию, тектонофизику. Теоретической базой для исследований послужили основные положения научного направления «Гидрогеомеханика скальных массивов». В целом методика исследований направлена на изучение природного процесса тектонической активизации массивов горных пород в условиях геодинамического напряжённого состояния верхней части земной коры. Учитывается, что при техногенном воздействии на геологическую среду процессы тектонической активизации развиваются и проявляются более интенсивно. В качестве основного признака тектонической активизации рассматривается формирование, в плане и в разрезе, гидрогеодинамической структуры массива скальных горных пород. При проведении полевых работ в качестве ведущих способов изучения состояния породного массива использовались методы гидрогеологии, геофизики, структурной и инженерной геологии.

Научная новизна работы определяется следующими основными результатами:

1. Уточнена методика изучения пространственного положения осей главных нормальных напряжений на основании комплексного анализа трещиноватости, ориентировки линеаментов рельефа и тектонических структур.

2. Показана ведущая роль активных тектонических разломов в формировании плановой фильтрационной структуры породного массива. Описаны особенности проявления гидродинамической структуры массива при ведении горных работ.

3. Выявлено, что при определённой ориентировке в поле современных напряжений, тектонические разломы формируют водоупорные границы, разделяющие единый водоносный комплекс на обособленные сегменты.

4. Дополнена методика поиска водоносных зон, основанная на выявлении тектонических структур, активных в современном поле напряжений. Рассмотрены особенности участков пересечения активных разломов.

5. Впервые достоверно выявлена вертикальная гидродинамическая стратификация относительно однородного скального массива как проявление тектонического расслоения массива горных пород в условиях геодинамического напряжённого состояния.

6. На основании комплексного анализа гидродинамических и гидрогеохимических признаков установлено, что основной дренирующий водоносный горизонт рассматриваемой территории располагается на глубине 250 – 300 м от поверхности земли.

В целом результаты исследований показывают важность изучения современного напряженного состояния верхней части земной коры как одного из ведущих факторов природной геологической среды, оказывающего значительное влияние на формирование структуры и свойств природно-техногенных систем.

Основные защищаемые положения

1. Современная структура массива горных пород Петропавловского рудного поля формируется в условиях тектонического напряжённого состояния. Анализ диаграмм трещиноватости, тектонических нарушений и линеаментов рельефа показывает, что главное максимальное напряжение действует в субширотном направлении. Ориентировка оси главного максимального напряжения имеет два наиболее выраженных направления воздействия. Эти направления ориентированы по азимутам 260 и 285°.

2. Современное поле тектонических напряжений формирует сеть активных тектонических нарушений с выраженными гидрогеологическими свойствами. Высокими фильтрационными свойствами отличаются сбросы и раздвиги, ориентированные в субширотном направлении. Активизация палеозойских разломов, которая сопровождается возникновением пластических деформаций, приводит к формированию водоупорных зон. Применение гидрогеомеханического и структурно–геологического анализа позволяет выделить активные, водоносные или водоупорные, тектонические структуры и оценить их потенциальную опасность или полезность в зависимости от обстоятельств хозяйственного использования.

3. Изменение напряженного состояния массива с глубиной приводит к формированию гидрогеодинамической стратификации скального массива. В пределах однородного массива формируются выраженные в плане и разрезе водоносные горизонты, разделенные относительно водоупорными горизонтами и слоями. Наличие обособленных водоносных горизонтов в массиве вулканогенных пород Петропавловского рудного поля фиксируется по разнице фильтрационных свойств, существенному перепаду напоров и различию химического состава подземных вод.

Практическая значимость. Результаты проведённых исследований позволяют существенно повысить эффективность гидрогеологических и геоэкологических работ, направленных на выбор участков, благоприятных для сооружения водозаборов, дренажей, наблюдательных скважин. Методические приёмы, направленные на выявление активных тектонических структур, могут применяться для выявления подвижных участков, неблагоприятных для прокладки коммуникаций и возведения сооружений.

Выявление основных закономерностей гидродинамической структуры рудного поля, включая гидрогеодинамическую стратификацию скального массива на глубину более 500 м, а также выделение основного дренирующего водоносного горизонта на глубине 250 – 300 м, позволяет целенаправленно планировать и решать задачи осушения и мониторинга объектов месторождения.

Методические положения и практические приёмы применялась на месторождении «Юбилейное» в 2006–2008 гг. при поисковых работах на подземные воды и гидрогеологических исследованиях на действующих и проектируемых объектах рудника. Основные принципы и подходы гидрогеомеханического анализа природно-техногенной ситуации использовались при решении геоэкологических и гидрогеологических задач на ряде объектов г. Екатеринбурга и Свердловской области.

Апробация работы. Основные положения и выводы по результатам исследований докладывались на научно–практической конференции «Горнопромышленная декада» (Екатеринбург, 2005, 2007, 2008 гг.), на научно–практической конференции «Проблемы инженерных изысканий для высотного строительства в Уральском регионе» (Екатеринбург, 2007 г.), на XII Международном научном симпозиуме имени академика М. А. Усова студентов и молодых ученых «Проблемы геологии и освоения недр» (Томск, 2008 г.). По теме диссертации опубликована одна статья в журнале, рекомендованном ВАК. Материалы использованы в нескольких научно–производственных отчетах по месторождению «Юбилейное» (2006–2008 гг.), а также объектам, расположенным в г. Екатеринбурге и Свердловской области.

Структура и объём диссертации. Работа состоит из введения, шести глав и заключения. Объем текста – 129 стр., количество рисунков – 32, таблиц – 16, библиографический список содержит 110 наименований.

Автор искренне признателен научному руководителю профессору С. Н. Тагильцеву за содержательные консультации и советы при выполнении и оформлении диссертационной работы. Автор выражает глубокую благодарность коллективу ООО «Уралгеопроект» за предоставленный фактический материал и плодотворное сотрудничество; специалистам, геологам и маркшейдерам рудника «Хайбуллинский», гидрогеологам и буровикам ОАО «Зеленогорская экспедиция» за помощь и понимание при выполнении полевых работ.

Содержание работы

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 (s1) ориентировано горизонтально, а минимальное напряжение (s3) 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.