Кочарян Г.Г. Деформационные процессы в массивах горных пород

Подождите немного. Документ загружается.

феноменологической моделью. Одним из недостатков описанной

теории является применение критерия Кулона для описания роста

протяженных трещин, в то время как теория трещинообразования

(см. раздел 1.5) демонстрирует невозможность сдвиговых трещин

распространяться вдоль своей плоскости. Эксперимент показывает,

что, как правило, первичны трещины растяжения, а от их кромок

распространяются множественные трещины различных мод (см.

рис.1.42). Это находит отражение в сложном строении разломных

зон, формирующих расщепляющиеся структуры различных типов.

Единое объяснение структурных особенностей строения разломных

зон пока не разработано.

Формирование любой крупной разрывной структуры

сопровождается возникновением в зоне ее влияния значительного

числа сопутствующих (оперяющих) разрывов. Эти участки

повышенной плотности нарушений сплошности идентифицируются

как межблоковые зоны.

Многочисленные разрывные нарушения, формируют внутри

межблоковой зоны спектр отдельностей разного размера. Размер

этих отдельностей на несколько иерархических порядков меньше

размеров блоков

, которые разделяет межблоковая зона. Как и для

блочной структуры земной коры в целом, для отдельностей,

формирующих межблоковую зону, характерно специфическое

распределение по размерам соответствующее фундаментальному

соотношение между размерами блоков соседних иерархических

уровней

)1( +

Активными разломами считаются дизъюнктивные

структурные образования, относительные перемещения крыльев

которых фиксируются на современном этапе развития. Именно

участки активных разломов – узкие протяженные зоны в которых

локализуются наибольшие амплитуды и скорости деформаций -

являются границами современных структурно-тектонических

блоков. Межблоковые дифференциальные движения являются как

причиной, так и следствием повышенной раздробленности

(дискретности) этих зон

При изменении напряженно-деформированного состояния

интенсивность дифференциальных движений может снизиться, а

межблоковая зона теряет свою дискретность за счет, так

называемых, процессов “залечивания”, и трансформируется в

консолидированный разлом. При этом жесткость и плотность

нарушения сплошности возрастают, а проницаемость снижается.

Консолидированные разломы не являются границами между

современными структурно-тектоническими блоками.

Очевидно, что, как

и блоки, межблоковые границы также

должны подчиняться закону иерархической соподчиненности.

Однако, в отличие от блоков, линейные размеры которых можно

уверенно определить, однозначно оценить геометрические

характеристики нарушений сплошности зачастую бывает

невозможно. Из анализа любой тектонической карты видно, что

протяженные линейные структуры лишь отчасти можно

рассматривать в качестве единых образований. Каждая из

таких

структур представляет собой сочленение отдельных участков,

примыкающих к отчетливо выделяемым блокам определенного

ранга. В тектонических узлах наблюдаются расширения зон

активных разломов, а также дельтообразные и трапецевидные

участки расщепления разлома. Тем не менее, многочисленные

наблюдения за сейсмоактивными территориями позволяют

заключить, что размеры активных зон ограничиваются вполне

определенными по протяженности участками. Как

правило, размеры

активных зон хорошо сопоставимы с размерами структурных

блоков. Фактически это означает, что протяженность линейной

структуры следует характеризовать протяженностью ее

характерного (активного) участка, проявляющегося квазинезависимо

в геодинамическом смысле.

Свойства межблоковых границ формируются в процессе

эволюции массива в результате дифференциальных перемещений

блоков. В силу этого естественно ожидать, что в качестве

дизъюнктивного нарушения с однородными средними свойствами

должен выступать соответствующий участок квазилинейной

структуры, ограничивающий консолидированный современный

структурно-тектонический блок. Соответственно, иерархический

порядок межблоковой зоны определяется рангом блоков, которые

она разделяет.

(1) (2) (3) (4) (3) (2) (1)

Рис.2.7 Структура разломной зоны (1) – ненарушенные породы; (2) –

зона повышенной трещиноватости; (3) – центральная зона; (4) –

магистральный разрыв.

Характерная структура разломной зоны в упрощенном виде

показана на рис.2.7. Обычно выделяют следующие участки:

ненарушенные вмещающие породы (показаны цифрой 1 на рис. 2.7);

зона повышенной трещиноватости (2); зона перетертого или

рассланцованного материала (3); центральная,

ультрадеформированная зона (4). Зоны 2 и 3 часто называют зоной

влияния разлома, а зону 4 – зоной сместителя или магистральным

разрывом.

Крупные блоковые структуры обычно оконтурены

протяженными разломами, явно выраженными на поверхности

ложбинами, небольшими оврагами или уступами в рельефе

глубиной до нескольких метров. В некоторых случаях по наиболее

крупным разломам развиты долины шириной до нескольких сотен

метров. Мощности зоны сместителя таких разломов достигают

нескольких десятков сантиметров. В окрестности сместителя

развита зона влияния тектонического нарушения, в которой

резко

(примерно на порядок по сравнению с самим массивом) увеличен

модуль трещиноватости горных пород. Мощность зоны влияния

крупных разломов в обследованных выработках, согласно

визуальному описанию, составляет несколько метров, а по

результатам сейсмических исследований и на порядок большую

величину - до нескольких десятков метров. Участки пересечения

крупных разломов с выработками, как правило,

перекрыты крепью.

Границы блоков длиной от 300÷600 до 1000÷2000м выражаются

разломами и мощностью зоны сместителя от первых см. до

нескольких десятков см. Внутреннее строение зон таких разломов

весьма разнообразно. Это может быть одна мощная трещина с

глинисто- обломочным заполнителем, либо несколько сближенных

трещин, либо трещина, залеченная дайкой (прочным изверженным

материалом). Мощность даек достигает 2,0÷3,0 м

, а зон влияния до

15÷20 м. На поверхности зоны таких нарушений могут быть

выражены теми же признаками, что и разломные зоны более

крупного порядка. Отдельные разломы протяженностью сотни –

тысячи метров залечены дайками практически нацело, таким

образом, что зона разлома по своим механическим свойствам

практически не отличается от вмещающих пород.

Границами блоков

размерами от 30÷60 до 100÷200м

являются мелкие разломы и крупные тектонические трещины.

Мощность зон сместителя здесь обычно составляет первые

сантиметры, редко достигая 5÷10см. Мощность зон влияния, по

данным визуальных наблюдений, колеблется в пределах 0,15÷0,5 м,

модуль трещиноватости в зонах влияния достигает 10-30 трещин на

погонный метр. Сейсмопросвечивание зон этих нарушений

демонстрирует снижение скорости

распространения упругих волн в

окрестности разрыва на участке протяженностью до 10÷15м.

Таким образом, размер нарушения сплошности в направлении

поперек простирания является весьма неопределенной величиной.

Так, оценки деформационных характеристик межблоковых

промежутков, выполненные по геологическим данным дают, как

правило, неудовлетворительные результаты, поскольку, как

отмечалось выше, поперечные размеры магистрального разрыва и

зоны влияния в

действительности превышают данные, получаемые

при геологическом описании, когда во внимание принимаются лишь

зона сместителя и наиболее ярко выраженные трещины в зоне

влияния. Различия в данных, полученных по визуальным

наблюдениям и по результатам геофизических исследований, часто

весьма велики и достигают десятков раз.

Аналогично, мощность зоны с низким, по сравнению, как с

вмещающим массивом, так и с зоной влияния, эффективным

модулем упругости, в несколько раз превышает толщину видимого

магистрального разрыва.

Известны эмпирические корреляционные соотношения между

длиной разлома L, шириной разломной зоны W и амплитудой

смещения по разрыву D. Для соотношения длины разрыва и

амплитуды смещения по нему, большинство авторов сходятся во

мнении о существовании корреляционнной зависимости типа:

LkD ⋅=

, (2.25)

где k=0,01÷0,08, а b=0,8÷1,2, причем если для трещин и разрывных

нарушений с длиной до 30÷100км амплитуда смещения составляет в

среднем до 2÷4%, то для крупных разломов и сдвиговых зон с

длиной в сотни - тысячи километров анализ показывает тенденцию к

возрастанию амплитуд смещений до 4÷10% и даже 25% от L.

качестве соотношений, связывающих амплитуду смещения

вдоль разрыва и ширину зоны разлома, чаще всего предлагаются

степенные зависимости близкие к линейным, например:

92,1lg07,1lg

⋅

(2.26)

Соотношение между шириной разломной зоны и длиной

разрыва, по данным различных авторов изменяется в широких

пределах - от W ~ 10

-4

L до 0,02÷0,05L.

2.2 Породы в разломных зонах

Основным источником информации о деформационных

процессах, происходящих в межблоковых зонах, являются

результаты исследований структуры и текстуры пород,

формирующих зону разлома. При этом, поскольку в результате

тектонических процессов участки массива, ранее располагавшиеся

на значительной глубине, зачастую оказываются вблизи свободной

поверхности, геологические методы позволяют построить картину

процессов происходящих в разломных зонах, пересекающих земную

кору.

Поскольку крупные разломы пересекают всю хрупкую кору, а

в виде зон пластического течения внедряются в вязкоупругие

нижние слои литосферы, породы в разломных зонах проходят через

различные стадии хрупкого разрушения и пластической

деформации, формируя в результате весьма широкий спектр

геоматериалов.

В процессе деформирования в тех областях, где порода

находится в хрупком состоянии, можно выделить такие процессы,

как трещинообразование, измельчение и раздавливание породы,

фрикционный износ в результате трения перемещающихся

поверхностей, массоперенос измельченной породы потоками

флюида.

В пластичных областях имеет место пластическое течение

материала, виды которого (микрорастрескивание, катаклазис и

фрикционное скольжение по границам зерен; двойникование

кристаллов и перегибы кристаллических плоскостей;

компрессионная ползучесть при растворении; диффузионная

ползучесть, дислокационная ползучесть) были подробно

рассмотрены в разделе 1, а также неоминерализация и

перекристаллизация материала.

На

самом деле, как отмечалось выше, часто нельзя четко

отделить область хрупких деформаций от области пластического

течения горной породы. Хрупкие и пластические процессы

различным образом взаимодействуют между собой. Так, например,

при хрупком разрушении в окрестности носиков трещин

формируются области пластического течения, стабилизирующие

трещины и ограничивающие их рост. С другой стороны,

пластическое течение

может способствовать формированию

микротрещин.

Особый вид распределенной деформации представляет собой и

катаклазическое течение материала, для которого, с одной стороны,

выполняются пластические макросоотношения между напряжением

и деформацией, а с другой стороны этот процесс включает

внутреннее трещинообразование и фрикционное скольжение. От

чисто пластического течения этот вид деформирования отличается

присутствием дилатансионных эффектов и

сильной зависимостью

прочности от давления.

Текстурная классификация пород, подвергшихся

интенсивному деформированию, предложенная Сибсоном (1977),

приведена в таблице 2.1.

Классификация Сибсона основывается на главных

наблюдаемых текстурных различиях пород: случайная или слоистая

структура; консолидированные или не консолидированные породы.

Внутри несвязанных пород подразделение основано на

хрупком изменении размере зерен – от брекчии до глинки трения.

Брекчия представляет собой конгломерат пород, состоящий из

угловатых обломков, расположенных в более однородной матрице.

Для этого типа пород характерна случайная структура,

преимущественные направления обычно отсутствуют. Брекчия

бывает несвязанная, когда обломки практически отделены друг от

друга и от матрицы и связанная в результате процесса

минерализации.

Брекчированные породы классифицируются по характерным

размерам кусков: мегабрекчия – куски размером более полуметра,

брекчия (1

мм÷0.5м), микробрекчия (0.1÷1мм) и глинка трения

(<0.1мм). Этот вид разрушенных пород образуется при относительно

низких сжимающих давлениях и высоком поровом давлении

жидкости. Примеры брекчированных пород приведены на рис.2.8.

Следующий вид пород, согласно рассматриваемой

классификации – псевдотахилиты - породы в разломах,

произведенные фрикционным плавлением. Это консолидированные

породы, образовавшиеся в результате застывания расплава

вмещающих пород.

Таблица 2.1 Текстурная классификация пород в разломных зонах

Случайная

структура

Слоистая

структура

Брекчия (видимые

фрагменты >30% объема)

Несвязан.

Глинка трения

(видимые фрагменты

>30% объема)

Слоистая глинка трения

Остекло-

ванные

псевдотахилиты

% мат-

рицы

Разрушенная брекчия (фрагм. >0.5см)

Тонкая разрушенная брекчия (0.1-0.5см)

Разрушенная микробрекчия ( <0.1см)

0-10

Протока-

таклазиты

Протомилониты 10-50

Катакла-

зиты

Милониты 50-90

Связанные

Природа матрицы

Тектонически измельченные на уровне зерен, рост зерен при

рекристаллизации и неоминеализации

Катаклазическая серия

Ультракат

аклазиты

Милонитическая серия

Ультрамило

ниты

Разновидности филлонитов

90-100

Обычно их происхождение связывается с динамической

подвижкой по разлому. (Тахилит – базальтовое вулканическое

стекло.) Остеклованные поверхности трещин и трещины

заполненные псевдотахилитом довольно часто обнаруживаются при

проведении геологических изысканий.

Рис.2.8. Различные типы брекчированных пород: а – мегабрекчия

(гранит с жилами кальцита); б - брекчия – известняк с жилами кальцита

– куски породы испытали смещения и повороты; в - слабо

окварцованная брекчия в алевролите; г – глинка трения под

микроскопом, размер кадра 1.5мм

1 мм

Рис.2.9. Структура катаклазита под микроскопом (кварцевый песчаник)

Рис.2.10 Милонитизированный гранит Черные полосы – результат

деформации зерен кварца. Светлые области – зерна полевого шпата