Гидрогеомеханический анализ тектоники и рельефа карбонатного массива

УДК 551+624.131

С.Н. Тагильцев, А.И. Зевахин, Т.Н. Кибанова

ГИДРОГЕОМЕХАНИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ТЕКТОНИКИ И РЕЛЬЕФА КАРБОНАТНОГО МАССИВА

Массив известняков в районе поселка Билимбай (г. Первоуральск) изучался геологами для различных целей. Многие годы на территории массива разрабатывались месторождения железных руд. В настоящее время ведется разработка и разведка известняков в качестве металлургического сырья. В связи с тяжелым положением района по водоснабжению ведется разведка месторождений подземных вод. В процессе разнообразных геологических работ накоплены материалы, позволяющие выполнить анализ тектонической и фильтрационной структур массива и оценить степень связи геологических (тектонических и гидрогеологических) структур с формами рельефа.

В результате разведки Черемшанского месторождения подземных вод и опробования около 40 скважин было установлено, что фильтрационные свойства изменяются от единиц до нескольких тысяч метров кв. в сутки. Указанная фильтрационная изменчивость в подавляющем большинстве случаев не связана с литологической неоднородностью, так как работы выполнялись в однородных известняках силурийского возраста. В отчете по разведке делается вывод, что указанная фильтрационная неоднородность связана с тектоникой и закарстованностью массива. Для выявления причин фильтрационной неоднородности целесообразно применить методы гидрогеомеханического анализа.

Основным предметом гидрогеомеханики скальных массивов являются геомеханические процессы, происходящие под воздействием, главным обрачом. тектонических сил в условиях напряженно-деформированного состояния земной коры и определяющие формирование фильтрационной структуры массивов горных пород. Целью гидрогеомеханического анализа в условиях карбонатных пород является выявление водоносных зон и определение взаимосвязи между тектоникой, карстом и фильтрационными свойствами карбонатных массивов.

Последовательность гидрогеомеханического анализа включает следующие элементы:

1. Анализ трещиноватости с целью выявления ориентировки осей главных максимальных напряжений и преобладающей кинематики тектонических структур.

2. Анализ линеаментов гидрографической сети и сравнение с предполагаемой ориентировкой разрывных нарушений в поле действующих напряжений.

3. Анализ линеаментов карстового рельефа и сравнение с предполагаемой ориентировкой разрывных нарушений в папе действующих напряжений.

4. Выявление основных закономерностей фильтрационной структуры карбонатного массива.

Анализ трещиноватости выполнен на основании многочисленных данных, полученных при

разведке Билимбаевского, Макаровского и Битимского месторождений, а также при эксплуатации Галкинского и Никитинского карьеров. Методика гидрогеомеханического анализа трещиноватости [4] позволяет выявить ориетировку главных напряжений и преобладающую кинематику тектонических движений. Результаты измерений трещин в Галкинском карьере (рис. 1) показывают, что в карьере наблюдаются две системы наклонных и три системы субвертикальных трещин.

й соответствии с положениями гидрогеомеханического анализа (4], для выявления ориентировки осей главных максимальных напряжений центры систем наклонных трещин наносятся в азимутах падения, а субвертикатьных систем - в азимутах простирания. Направление пояса систем трещин показывает ориентировку главного напряжения. На данном объекте проявилось одно направление главного напряжения - 305*. По генезису в Галкинском карьере одна система наклонных трещин относится к трещинам скола, другая - к трещинам скольжения. Эти системы образовались в системе напряжений верхнего геодинамического этажа. Среди вертикальных трещин две системы относятся к трещинам скольжения, а одна - к трещинам скола. По кинематике одна система правого знака движения, две правого знака движения. Субвертикальные трещины образовались в системе промежуточного (среднего) геодинамическогс этажа. Субвертикальные трещины с азимутом простирании 305' относятся к трещинам отрыва, с азимутом 275' - к трещинам скола, а с азимутом 248* - к трещинам скольжения.

-н^, • О-7

Рис. 1. Исходная диаграмма трещиноватости в известняках Галкинского карьера (а); результаты гидрогеомеханического анализа (б):

1 - направление главного максимального напряжения; 2 - система трещин скола; 3 - система трещин скольжения: 4 - система трещин отрыва

Анализ трещиноватости в других точках карбонатного массива позволил заключить, что кроме ориентировки 305' в массиве активно проявились направления главных максимальных напряжении, ориентированных по азимутам 275* и 335* . Под воздействием главного напряжения, ориентированного по азимуту 275*, хорошо проявились трещины скола и скольжения правой кинематики (65* и 45'). Под воздействием главного максимального напряжения (оО 335' субвертикальные трещины проявились значительно слабее, но можно считать, что в результате этого напряжения образуются трещины ско.ча и скольжения левой кинематики (5* и 25*). Таким образом, в результате анализа трещин следует сделать вывод, что в карбонатном массиве проявились три основных направления действия главных максимальных напряжений - 275*, 305* и 335*.

Анализ линеаментов имеет свою специфику и требует применения некоторых методических приемов. Для уточнения выводов целесообразно усреднять ориентировку линеаментов с различным шагом десятиградусного интервала. Например, одни и те же данные следует усреднять по интервалам 270-280*, 280-290*, с другой стороны, - 275-285*, 285-295* и т. д. Этот прием позволяет более надежно делать выводы о средних значениях. Различная длина линеаментов учитывается с помощью поправочных коэффициентов. При анализе результатов слсдуст учитывать, что точность в построении составляет 5-10*.

Анализ линеаментов гидрографической сети производился по малым рекам района и по р. Чусовой, которая является основным водным объектом этого района. Диаграмма линеаментов небольших рек (рис. 2,а) показывает, что все три направления действия главного максимального напряжения выражаются в форме "зубцов". Каждому из указанных направлений главных напряжений соответствует хорошо выраженный "зубец", составляющий с направлением 90*. На рассматриваемой диаграмме напряжению о, 275* соответствует "зубец" с ориентировкой 5\ направлению с, 305* - 35', направлению о, 335* - 65*. Эти "зубцы" отражают ориентировку надвигов (взбросов), образовавшихся в верхнем геодинамическом этаже.

270

"Размазанность" субмеридионального луча (355*-15*) определяется тем, что по этому направлению кроме надвигов (взбросов) формируются сдвиги левой кинематики, которые образовались под воздействием с, 335*. Преобладание хрупкой деформации предопределяет среднее значение угла скола при образовании сдвигов 30-35*. Проявление хрупко-пластичной деформации при образовании сдвигов увеличивает угол скола до 45-55' (среднее значение 50"). Формирование хрупко-пластичных сдвигов под воздействием с\ 305* предопределяет хорошую выраженность направления 355*. Хрупко-гластичные сдвиги правой кинематики, которые формируются под воздействием с, 275*, определяют заметную размазанность направления 35-45*. На хорошую выраженность "зубца" оказывают влияние надвиги, образовавшиеся под воздействием 01 305*, и хрупко-пластичные правые сдвиги, связанные с 01 275* , которые предопределили заметную выраженность направления 45*.

В ориентировке малых рек слабо проявились хрупкие правые сдвиги направления 0| 275*, которые должны были наложиться на надвиги с ориентировкой 65*. В целом следует заключить, что для линиаментов малых рек характерно наследование разрывных нарушений, для которых свойственно преобладание хрупкой деформации (раздвиги, сдвиги, взбросо-сдвиги).

Роза-диаграмма, построенная по линсаментам р. Чусовой (рис. 2,6), показывает, что в этом случае проявляются в основном те же главные направления тектонических движений. В качестве отличительной особенности следует отметить более широкое развитие хрупко-пластичной деформации, что проявляется в существенном выраженности направления 75*. Этот "зубец" отражает значительное проявление хрупко-пластичных сдвигов правой кинематики, возникших под воздействием напряжения о, 305". Кроме того, значительно меньше выражены раздвиги, ориентировка которых должна совпадать с направлениями 0| (в данном случае 305*, 335*). Важно также отметить, что линезменты р. Чусовой наследуют более мощные сдвиговые зоны. На это указывает хорошая выраженность направления 275*.

В целом линсаменты р. Чусовой на диаграмме образуют характерную осесимметричную структуру линеаментов, в образовании которой принимают участие как бы два направления о| (рис. 2,в). Направление С| 275* как бы "маскируется" значительным проявлением сдвиговых нарушений, связанных с направлением 01 305*.

В качестве материала для анализа линеаментов карстового рельефа послужили данные, полученные по двум участкам. Поверхностные и подземные карстовые формы детально задокументированы на Галкинском карьере [3] и вокруг него. При разведке Черемшанского месторождения подземных вод была выполнена детальная карстометрическая съемка и все поверхностные проявления, в первую очередь воронки, нанесены на карту. Во многих случаях карстовые воронки формируют линейные зоны различной протяженности.

Исследования линеаментов карста в районе Черсмшанки выполнены с использованием диаграмм, построенных по различным интервалам (рис.3,а,6). Анализ обеих диаграмм позволяет

235

Рис. 2. Розы-диаграммы линеаментов гидрографической сети:

а сеть мелких рек; 6 • р. Чусовая: в симметричная диаграмма линеаментов р. Чусовой

сделать практически одинаковые выводы. Главный вывод состоит в том, что сдвиговые напряжения, образовавшиеся главным образом с преобладанием хрупкой деформации, выражены значительно сильнее, чем все другие. Линеаменты карста на этом участке образуют симметричную структуру, очень похожую на структуру линеаментов р. Чусовой (рис. З.в).

Рис. 3. Розы-диаграммы линеаментов карстового рельефа:

а, б • район Черемшанского месторождения; в - симметричная диаграмма линсг.ме»гтов карста; г - район Галкинского месторождения

Линеаменты карста в районе Галкинского карьера (рис. 3,г) имеют существенные отличия. Субширотное направление выражено слабее, а субмеридиональные (335', 5*, 25') и северо-восточное (65*) - значительно сильнее. Это отличие можно объяснить тем, что при разведке карстовых процессов только на начальной стадии наследуются тектонические структуры. Далее его развитие в значительной степени зависит от направления подземного потока. В районе р.Черемшанки направление подземных вод имеет субширотную (к р.Черемшанке) и субмеридиональную (к р.Чусовой) ориентировки. В районе Галкинского карьера субмеридиональное направление (к р.Чусовой) также преобладает, но малые реки на этом участке имеют различную ориентировку. В целом следует заключить, что карст наследует те же направления тектонических нарушений, что и элементы гидрографической сети.

Принято считать, что на Урале большинство мелких рек протекает по тектоническим нарушениям. Для выявления связи ориентировки тектонических нарушений и долин рек была построена роза-диаграмма линеаментов речной сети. Анализ розы-диаграммы показал, что долина р.Черемшанки имеет среднюю ориентировку 5' и расположена в зоне крупного надвига. Этот надвиг сформировался под воздействием главного максимального напряжения, ориентированного по азимуту 275*. В соответствии с теорией геодинамических этажей [2], надвиг является относительно молодым геологическим образованис.м, так как формируется в приповерхностной части земной коры (первые сотни метров).

На двух участках меридиональная ориентировка реки Черемшанки нарушается коленообразными изгибами. Анализ розы-диаграммы показывает, что эти участки являются линеаментами с ориентировкой 65 '. Можно заключить, что на этих участках надвиг нарушается более молодыми тектоническими образованиями (сдвигами). Эти сдвиги имеют правую кинематику и образовались с преобладанием хрупкой разрушающей деформации.

Считается признанным (I], что основное гидрогеологическое значение имеют молодые тектонические нарушения, активные в поле современных напряжений. С этих позиций сдвиги, нарушающие надвиг, являются молодыми активными тектоническими нарушениями. Соответственно сдвиги, которые нарушают Черемшанский взброс, являются важным поисковым признаком.

Преобладание хрупкой деформации при образовании сдвигов заставляет предполагать, что собственно шовная зона сдвига имеет небольшую мощность и соответственно относительно невысокое гидрогеологическое значение. В этом случае большую роль должно играть строение оперяющих приразломных зон. В крыле сдвиговой структуры формируются зона сжатия и зона растяжения. В зоне растяжения фильтрационный свойства максимальны, в зоне сжатия -минимальны.

В целом гидрогеомеханический анализ карбонатного массива, расположенного на левом 6epeiy р. Чусовой, западнее пос. Билимбай, позволяет сделать следующие выводы:

- Основные разрывные структуры связаны с проявлением воздействия трех главных напряжений (275*, 305', 335').

- Ориентировка линеаментов малых рек района отражает воздействие всех трех направлений, в результате чего образовались раздвиги, хрупкие и хрупко-пластичные сдвиги, а также надвиги (взбросы).

- Анализ линеаментов р. Чусовой позволяет заключить, что в их формировании значительное участие принимают тектонические структу ры, образовавшиеся с преобладанием хрупко-пластичных деформаций. Для этих структур характерна более значительная мощность зоны разлома.

- Развитие карста происходит по тектоническим нарушениям, имеющим преимущественно сдвиговой характер, с преобладанием хрупкой деформации. Большое значение для формирования линеаментов карстового рельефа имеет направление потока подземных вод.

- Гидрогеомеханический анализ позволяет целенаправленно выявлять участки массива, перспективные для постановки поисково-разведочных гидрогеологических работ.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Степанов В.М. Введение в структурную гидрогеологию. М.. Недра, 1989.

2. Тагильцев C.II. Оценка гидрогеологических свойств тектонических нарушений на основании геомсханического анализа Н Освоение месторождений минер, ресурсов в сложи, гидрогеол yen* Мат-лы Ч-го Междуняр cwstnor Белгород: ВИОГКМ, 1995. С. 94-97.

3. Тагильцев С.Н., Зевахин А.И., Морозов М.Г. Влияние напряженного состояния массива известняков на развитие карста /' Изв. УГГГА. Серия: Геология и геофизика. Вып. 8. Екатеринбург, 1998. С. 195- 198.

4. Тагильцев С.Н. Основные теоретические положения и методика определения ориентировки осей главных напряжений по данным изучения трещиноватости // Проблемы геотехнологии и недроведения (Мельниковские чтения): Докл. Междунар. конф. Екатеринбург: УрО РАН, 1998. С. 205-208.

УДК (556.3:55.812): 628.1

С.Н. Елохина, В.А. Елохнн, A.C. Юркин

ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РОДНИКОВОГО СТОКА ДЛЯ ВОДОСНАБЖЕНИЯ СУХОЛОЖСКОЙ БАЗЫ УГГТА

Учсбно-мстодичсская геологосъемочная практика студентов второго курса института геологии и геофизики УГГГА проводится на Сухоложской базе, которая расположена в Сухоложском районе Свердловской области, в 120 км к востоку от г. Екатеринбурга, в окрестностях г. Сухой Лог и прилегающих к нему сел и деревень - Знаменское, Рудянскос, Шата, Брусяны, Глядены, Кашино и Валовая (рис. 1). База практики расположена в живописной долине реки Пышмы с её притоками Рефг, Рудянкой, Знаменкой, Брусяной, Шатой и Кунарой на месте разрушенной Беленковской мельницы, в 0,5 км ниже брода против с. Рудянка. Сухоложская база в том или ином виде используется по указанному назначению около 50 лет.