CC BY
20
- контроль взаимодействия сооружений повышенного уровня ответственности и вмещающей геологической среды;
- выявление возможных негативных геодинамических процессов и опасных изменений свойств и состояния геологической среды;
- прогнозирование и предупреждение опасных техногенных и природных чрезвычайных ситуаций;
контроль эффективности реализованных мероприятий по предупреждению чрезвычайных ситуаций.
УДК 550.831:550.835:622.02
Л.А. Болотноьа, С.И. Гуськов, В.В. Филатов
РЕЗУЛЬТАТЫ ГРАВИДИНАМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ПОЛЯ СИЛЫ ТЯЖЕСТИ РАЙОНА
Г. ЕКАТЕРИНБУРГА
Район г. Екатеринбурга, как и вся территория Уральского региона, характеризуется слабой сейсмической активностью. Но данным работы [3], в ближайших окрестностях города за все время проведения инструментальных наблюдений, т. е. с 1913 г., было зарегистрировано всего одно землетрясение. Оно произошло 17 августа 1914 г.; его эпицектр находился в районе Билимбаевского завода; интенсивность землетрясения была оценена в 6 баллов, магшпуда в 5 единиц; природа землетрясения однозначно оценена как тектоническая. Всего же за период с 1914 по 2002 гг. на Урале было зарегистрировано 70 сейсмических событий: 34 из них классифицированы как горно-тектонические удары, природа 28 сказалась невыясненной, причиной 7 являются обвалы, провалы, карст, взрывы, горные удары [3]. Из приведенных данных следует, что подавляющая часть сейсмических событий обусловлена хозяйственной деятельностью человека. Средняя глубина очагов этих событий составляет 1,2 км, т. е очаги находятся в пределах той части земной коры, которая освоена горными работами. И только Билимбаевскос событие, глубина залегания очага которого оценена в 26 км, можно отнести собственно к землетрясениям. Тем не менее в последние годы в различных средствах массовой информации стали появляться статьи, заметки, интервью о том, что в ближайшие 5-10 лет в районе г. Екатеринбурга должно произойти землетрясение интенсивностью 6-10 баллов. При этом ни авторы публикаций, ни интервьюируемые не приводят убедительных доказательств в обоснование своих прогнозов.
Проблема прогнозирования землетрясений пока не имеет удовлетворительного решения, поскольку до сих пор у сейсмологов нет ясного представления о механизме землетрясения. Одним из важнейших аспектов проблемы прогнозирования землетрясений является оценка напряженно-деформированного состояния среды. Для решения этой задачи предложены различные методы: геологические, геомеханические, численного, аналитического и физического моделирования и геофизические.
По современным представлениям ГСадовский М.А, и др.), геологическая среда может быть уподоблена иерархической системе подобных блоков или структур, вложенных друг в друга, размеры которых подчиняются геометрической прогрессии. Поэтому и физические поля, обусловленные такими системами, также образуют иерархические последовательности аномалий, соответствующие различным уровням иерархии. В полной мере все это относится и к полям напряжений и деформаций. Следовательно, изучать их нужно методами, измерения в которых ведутся на различных базах. Почти идеально подходят для этого геофизические методы и среди них гравиметрия. Почему?
Напряжения в земной коре деформируют среду, при этом происходит изменение объема, что отражается в гравитационном поле. Гравитационное поле, в свою очередь, притягивает плотностные неоднородности с разной силой и соответственно создает свое поле напряжений [4]. Таким образом, поле напряжений вызывается тектоническими и гравитационными силами, которые взаимосвязаны. Зная гравитационное поле, можно учесть составляющую поля напряжений, вызванную им.
Зависимость между компонентами вектора смещения 5 и потенциалом поля силы тяжести IV произвольной по форме плотностной неоднородности, находящейся в однородном упругом полупространстве для линейно-упругой реакции среды (тело Гука) [1], выражается формулами
и = Р\\-2 ) Сх-Сво]1У,
У-Р-Ъ\-2).С,-Ст]-1Г. К (1)
™ = Р- 2(1-
где и, V, к- - компоненты вектора смещения 5 по осям х,у, г; IV-гравитационный потенциал; С„ Су, Схго, С:го - безразмерные функции, зависящие от потенциала; Р - константа; V -коэффициент Пуассона.
Поскольку расчеты и, V, и выполняются на поверхности земли, где вертикальная компонент тензора напряжений равна нулю, то при оценке напряженно-деформированного состояния целесообразно вычислять не компоненты тензора напряжений, а компоненты тензора чистой деформации [1, 5], которые, в свою очередь, служат основой для вычисления главных значений тензора деформации (е^е:. ез) и углоз, характеризующих ориентировку главных о:ей деформации. Необходимость вычисления главных значений и главных осей заключается в том, что они не зависят от системы координат, в ксторой решается задача (или выполняются соответствующие измерения); они определяются только условиями деформирования тела, т. е. в них заключена объективная информация о деформации.
Кроме главных значений, являющихся по физическому смыслу относительными растяжениями-сжатиями вдоль главных осей деформации (е1>е2>ез), деформация описывается рядом параметров, имеющих простой физический смысл. Это первый инвариант тензора или дилатацня, коэффициент Лоде-Надаи, удельные энергии деформации объема и формы и другие:
- дилатацня, или относительное изменение объёма среды, определяется по формуле
= е, + е2 + ег = . (2)
где расходимость вектора смещения; при 0 > 0 происходит увеличение объёма среды, т. е. её разуплотнение; при 0 < 0 происходит уменьшение объёма среды, т. е. её уплотнение; при 9 = 0 в среде могут образовываться вихревые структуры;
- коэффициет- Лоде-11адан определяется по формуле
и -«.-«». (3)
Величина изменяется от -1 до +1; при це =-1 среда находится в состоянии обобщенного растяжения (по [2], простое растяжения); при цс = 0 среда находится в состоянии обобщенного сдвига (по [2]. чистый сдвиг); при це = 1 среда находится в состоянии обобщенного сжатия (по [2], простое сжатие);
- удельные работы деформации объёма Ау и формы А/ определяются соответственно по формулам
А..\к >, А, Л [(,, -с,У +(*,-е,)' + (,, (4)
где к - модуль всестороннего сжатия; р - модуль сдвига.
Поскольку, как было отмечено выше, формулы (1) получены для модели среды в виде тела Гука, то карты линий равных значений Л» и дилатации подобны. Если среда находится в гидростатически напряженном состоянии то А/ = (¡). С помощью фермул (4) можно
оценить, в каком соотношении находятся упругие энергии объёмо- и формоизменения деформационного процесса: способствует ли он изменению объёма среды или развитию в ней сдвиговых дислокаций.
Исходными данными для оценки напряженно-деформированного состояния геологической среды района г. Екатеринбурга послужили результаты гравиметрической съемки в виде карты локальных аномалий силы тяжести в редакции Буге (региональный фон на исследуемой территории описывается полиномом 2-й степени (Дг>ф = а0 + 01* + + + ау2) в масштаб-с 1:200000 и геолого-геофизические представления об основных плотностных неоднородности района -интрузивных массивах - Уюусском, Шувакишском, Широкорсченском, Шарташском. Верх-Исстском и Свердловском (Копанев, Калугина, Сторожснко и др., 1999) (рис. 1).
5 км
|-1 + + + + 4
2 г г г г 5
3 п п п п б
Рис. 1. Локальное поле силы тяжести района г. Екатеринбурга
1 - изо аномалы нулевые; 2 - юоаномалы положительные; 3 - изоаномалы отрицательные; 4 - граниты; 5 -габбро иды. 6 - гранитоилы.
Контуры массивов интрузивных пород: I - Всрх-Исстский; II - Шувакишский; III - Уктусский; IV - Шарташский; V - Широкорсченскнй
Уктусский массив изометричен в плане (10x12 км), сложен дунитами и различными видами габбро; контакты с вмещающими породами тектонические, круто падающие под массив; в поле силы тяжести массив картируется положительной аномалией интенсивностью более 35 мГал; по результатам интерпретации массив имеет воронкообразную форму, его размеры по вертикали оцениваются в 6-8 км. Шувакишский массив вытянут в меридиональном направлении (17x4 км), сложен в основном габбро; контакты с вмещающими породами тектонические встречного восточного и западного падений под углами 65-75°; в поле силы тяжести массив картируется положительной аномалией интенсивностью более 15 мГал; вертикальный размер массива около 4,5 км. Широкореченский массив имеет сложную в плане форму, его площадь на уровне эрозионного среза около 50 км1; сложен на три четверти габбро и подчиненными им пироксснитами; контактирует со Свердловским сателлитом Верх-Исетского гранитного плугона; в поле силы тяжести массив не выражен локальной аномалией. Шарташский массив изометричен в плане (6,5x8,0 км), почти полностью сложен гранитами; в поле силы тяжести картируется отрицательной локальной аномалией интенсивностью более 25 мГал; по результатам интерпретации массив представляет собой фрагмент Большого Шарташского плутона, имеющего сложную в плане форму и субширотную ориентировку; вертикальные размеры плутона около 5 км. Верх-Исетский батолит является самым крупным геологическим объектом в районе и одним из самых крупных гранитоидных плутонов на восточном
В
га
га
склоне Урала; его размеры но простиранию в меридиональном направлении около 80 км, вкрест простирания - около 30 км; нижняя кромка массива находится на глубине 9 км; по форме - это типичный антиклинал - плутон; контакты погружаются в сторону' от массива под углами 65-85°, местами они вертикальные и очень редко, когда они погружаются под него; плутон сложен гранитами трех магматических комплексов; в общую структуру плутона входят отдельные массивы, некоторые из них, как, например, Свердловский, сложенный среднсзсрнистыми гранитами, представляют самостоятельные тела: в пределах исследуемой территории Верх-Исетский плутон картируется отрицательной аномалией силы тяжести интенсивностью более 30 мГал; интенсивность локальной отрицательной аномалии Свердловского массива около 20 мГал.
На рис. 2 приведена карта первого и второго (ег) главных значений. Ориентировка стрелок на рисунке соответствует ориенгировке главных осей деформации, которые лежат в горизонтальной плоскости. Поле е\ и е2 более дифференцировано, чем поле силы тяжести. Каждый массив в этом поле картируется однозначно только ему присущей аномалией деформации. Легкие гранитные массивы "всплывают" в более плотной вмещающей среде. Поэтому оба компоне1гга деформации являются для них относительными растяжениями. Ультраосновные массивы, более плотные по сравнению с вмещающей средой, "пофужаются" в неё. Оба компонента деформации для них являются относительными сжатиями. Особенно четкой, изометричной, интенсивной аномалией характеризуется Уктусский массив. В южной части Шувакишского массива из-за влияния Свердловского массива компонент е\ представляет растяжение. Различаются по ориентировкам и знакам компоненты е\ и е: в северной и южной частях Верх-Исетскэго массива. В восточной части района (на севере и юте) есть два локальных участка (по существу полюса) с нулевыми значениями е1 и е2.
r+s^t-r*- .V - ГТП . • ' ' ' - •
♦ « V Ч « ч ч . ' -
Лл 1 .•! ' » . •
• V •—,►-+-<•-• ч s ч » . « * и" ,
■лу s sj s \г ¿1 г / / /< - + - - .
. Л » I Ч If «» — — S S • - —
— S V i I t!t * ♦ * I • • \
H/.J.M
-•"/б i Y * I ! i 1 4
/ / /./ i \
I Ir/ AVtUUVs"."/.'.' " " ^ V\-I /'l ~
растяжение сжатие
Рис. 2. Поле главных компонент деформации е\ и
Между дилатацией и силой тяжести наблюдается прямая зависимость. Изолинии полей Ag и 0 до некоторой степени подобны (см. рис. 1 и рис. 3). Но в поле дилатации массивы картируются отчетливее, чем в поле . Контур Верх-Исетского плутона и его сателлита Свердловского массива удовлетворительно совпадает с изолинией 0=0; максимальное значение дилатации этих объектов превышает 10010'1. Изометричной аномалией с интенсивностью более 15010"* картируется Шарташский массив. Всем ультраосновным массивам района присущи отрицательные аномалии
дилатацин. Контур Уктусского массива совпадает с изолинией 0 = -15010 *; максимальная же величина 0 для этого массива превышает —250*10 *. Четкой аномалией 0 интенсивностью более 150-Ю"1 картируется Шувакишский массив. Широкореченский массив не имеет отчетливого выражения в иоле 0. как. впрочем, и в других полях.
5 км
дилатация нулевая лилатаиия положительная
дилатация отрицательная
Рис. 3. Поле дилатацни
Иоле значений коэффициента це сложное мозаичное. Локальные участки положительных (растяжение) и отрицательных (сжатие) значений j.i, разделены узкими кольцевыми зонами нулевых значений. Некоторые из этих локальных участков не совпадают в плане с массивами. Четкими аномалиями ц« > -0.5 картируются Уктусский и Свердловский массивы; для Шувакишского массива цс а 0.5; для Широкореченского и Шарташского - це * 0; северный и южный фрагменты Bep.v-Исетского плутона отличаются по величине ц«: северный фрагмент ограничен узкими зонами со значениями Цс > -0.5; южный фрагмент почти целиком характеризуется цс> -0.5.
Наибольший уровень удельной работы деформации формы характерен для Уктусского массива. Р.е величина здесь превышает 40-10 ' относительных единиц. Максимальные значения А, других массивов вдвое меньше: для Верх-Исетского плутона А, «14-10 , для Шувакишского и Свердловского - около 18-10 . для Шарташского - более 20-10 . для Широкореченского - более 12-10".
В первой формуле (4) квадрат дилатацни в первом приближении равен 2( е" + е + с; ).
Отсюда следует, что удельные работы объемо- и формоизменения индиффере1гтны к тип> деформации - растягивающая она или сжимающая. Их соотношения определяются величинами модуля всестороннего сжатия и модуля сдвига, т. е. от вещественного состава деформируемой среды. Этот вывод подтверждается результатами выполненных нами расчетов Л, и А,.
Тектонофизичсский анализ поля силы тяжести г. Екатеринбурга показал:
1) в полях параметров деформации (главные значения е^ и ед. дилатацих, коэффициент це, удельные работы Аг и А/) интрузивные массивы картируются более отчетливо н однозначно, чем в локальном поле силы тяжести даже при самых неблагоприятных условиях, когда массивы контактируют между собой. Каждому массиву присущ свой набор параметров деформации;
2) наиболее сильным концентратом напряжений в районе г. Екатеринбурга является Уктусский массив.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Сейсмические события Уральского региона за 1914-2002 гг. М.: ЦСГНЭО РАО "ЕЭС РОССИИ", 2002. 86 с.
2. Трубицын А.П. Неровность плотностных границ раздела как источник напряжений в коре и мантии // Изучение Земли как планеты методами астрономии, геодезии и геофизики. Киев: Наукова думка, 1982. С.39-46.
3. Филатов В.В, Теория и пряктикя геодинямнчстского анализа гравитационного поля (на примере рудных районов Урала): Дне.... д-ра геол.-минерал, наук. Свердловск, 1990. 376 с.
4. Болотова Л.А., Гуськов С.И. Методика тектонофизического анализа гравитационного поля (на примере территории г. Екатеринбурга) // Пятая Уральская молод, научная школа по геофизике. Екатеринбург, 22-26 марта 2004 г. Екатеринбург: УрО РАН, 2004. С. 7-9.
5. Николаев П.Н. Методика тектонодинамического анализа. М.: Недра, 1992. 293 с.
УДК 622.02:550.3:556.33
Е.И. Пономарев
О ВОЗМОЖНОСТИ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ГЕОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ
ГОРНОГО МАССИВА В ОТЧЕТНЫЕ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ И ГЕОМЕХАНИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ, ИСПОЛЬЗУЮЩИЕСЯ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ЗАДАЧ
Проектирование и строительство крупных горно-технических комплексов - карьеров, шахт, хвостохранилищ. горно-обогатительных предприятий и т. д. - связаны с необходимостью учета гидрогеологической и геомеханической ситу ации в районе проектируемого строительства.
Анализ результатов эксплуатации горных комплексов на примере месторождений Восточной Сибири (Коршуновский ГОК) и Орсибургской области (Гайский ГОК, Ормет и т. £.) показывают, что большинство осложнений, связанных с устойчивостью бортов карьеров, вызвано недоучетом исходного комплекса взаимосвязанных гидрогеологических и гсомеханичссчих параметров и мелкомасштабной гидрогеологической и геомеханической ситуации в районе.стрэитсльства горных предприятий.
Взаимосвязь геомеханичсских, гидрогеологических и геоэлсктрических полей, явлений и параметров основана на фактическом структурно-вещественном совпадении (пространственном и вещественном) элементов геомеханическнх, гидрогеологических и геоэлсктрических нсоднородностсй. Если в композитной среде наблюдается совпадение структурно-вещественных элементов геомеханичсских, гидрогеологических и геоэлектрических нсоднор:дностей, то связь между парамсфами (геомеханичеекими, 1 идротсоло! ическими и геоэлектрическими) имеет место. Если элементы не совпадают, то связи нет. Совпадение структурно-вещественных элементов неоднородностей свидетельствует только о наличии связи.
Величина и особенности сочетания неоднородностей определяют вид и контрастность взаимосвязей 1-еомеханических, гидрогеологических и геоэлеюрических полей, явлений и параметров.
