авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 |   ...   | 3 | 4 || 6 | 7 |   ...   | 10 |

«РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ЗЕМНОЙ КОРЫ RUSSIAN ACADEMY OF SCIENCES SIBERIAN BRANCH INSTITUTE OF THE EARTH’S CRUST ...»

-- [ Страница 5 ] --

Некоторые из особенностей протекания сопутствующих процессов, как не трудно заметить, в той или иной мере известны в практической геологии, что обу словлено их наиболее общим характером. Вместе с тем, существование этих законо мерностей (например, большая «компетентность» в отношении рассмотренных нами процессов висячего крыла разлома, наличие регулярности в размещении оруденения по простиранию дизъюнктива) получило строгое структурное объяснение. Кроме то го, в результате проведенных исследований изучены взаимосвязи характеризующих данные закономерности количественных параметров с условиями деформации, что позволяет использовать их при практических исследованиях с большей эффективно стью.

Что же касается частных закономерностей, то они подробно рассмотрены в главах, посвященных каждому из прикладных аспектов разломообразования в от дельности. Более того, в результате обобщенного структурного подхода удалось для каждого из аспектов объяснить серию уже известных эмпирических закономерно стей, выявить новые особенности проявления связанных с деструкцией сопутствую щих процессов, а также предложить оригинальные, структурно обоснованные подхо ды к их исследованию. Например, в рамках сейсмологического аспекта это относится к процентным соотношениям вкладов разных динамических обстановок в формиро вание внутренней структуры дизъюнктива 1-го порядка или к взаимосвязям парамет ров сейсмогенных разломов и землетрясений. В ходе металлогенических исследова ний была предложена тектонофизическая систематика структур рудных полей и ме сторождений, которая на современном уровне обобщает уже сложившиеся в руднич ной геологии эмпирические представления.

Результаты гидрогеологических исследований, проведенные в процессе анали за геопатогенного аспекта разломообразования, со всей очевидностью показали, что изучение обводненности любого региона не может обходиться без выделения водо носных зон разломного типа. Они повсеместно контролируют распределение и ми грацию подземных вод, причем тектонические нарушения, образующие внутреннее строение водоносной зоны (обводненные разрывы), являются водовмещающими структурами, которые в результате пересечений и сочленений могут образовывать гидравлически связанные системы. Тектонофизическое понимание разломных зон придает особую значимость связанным с ними водоносным структурам, так как наи более крупные из них охватывают существенные объемы земной коры, которые в геоморфологическом отношении могут быть в ряде случаев представлены горными хребтами. Логическим продолжением подобного подхода является необходимость более глубокого анализа разломно-блокового строения природных регионов в ходе проведения гидрогеологических исследований вплоть до разработки методики по строения специализированных структурно-гидрогеологических карт, которые в сово купности с традиционно полученными материалами могут поднять гидрогеологиче ские исследования на новый качественный уровень.

Правомерность существования этого и других, представленных в первой части монографии современных подходов к анализу характера проявлений связанных с разломообразованием процессов может и должна быть проверена при детальных ис следованиях конкретных регионов. Рассмотренные в работе наиболее общие законо мерности распределения эпицентров землетрясений, оруденения, подземных вод и геопатогенных воздействий неизбежно претерпят трансформацию под влиянием ло кальных условий. Вместе с тем, учет их существования, во-первых, повысит эффек тивность проведения подобных исследований и, во-вторых, позволит выявить зако номерности более высокого уровня обобщения, имеющих первостепенную практиче скую значимость.

Часть III.

СТРУКТУРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ КАРТИРОВАНИЕ РАЗЛОМНЫХ ЗОН ЗЕМНОЙ КОРЫ Во второй части монографии было показано, что тектонофизическое понима ние разломных зон земной коры открывает широкие перспективы использования за кономерностей формирования их внутренней структуры в геологической практике. В то же время препятствием на этом пути является сложность выделения границ раз ломных зон в природе, так как они представляют собой не только и не столько зоны тектонитов при магистральном сместителе, но и все пространственно связанные с его формированием пластические и разрывные деформации. Поскольку практическое значение имеют главным образом последние, описанные далее построения будут ка саться лишь структурных элементов данного типа. Поперечные размеры объекта ис следования, хотя и уменьшаются в этом случае, но все равно остаются несоизмеримо большими, чем ширина зоны тектонитов при магистральном сместителе, который, кроме всего прочего, у разломов ранних стадий развития отсутствует.

В связи с вышеизложенным выделение разломных зон на местности становит ся задачей нестандартной. Она может быть успешно решена только путем разработки новых методов картирования, теоретическую основу которых должны составлять те закономерности внутреннего строения исследуемого объекта, которые были обобще ны нами в предыдущей монографии [Семинский, 2003]. Особое значение при этом имеет выделение парагенетически связанных разрывов 2-го порядка, распределение плотности которых свидетельствует о локализации деформации, а границы распро странения оконтуривают зону разлома в ее тектонофизическом понимании.

Таким образом, на основе карты разломов, разделенных по морфогенезису на типы, можно, учитывая установленные ранее закономерности структурообразования, составить схему разломных зон конкретного региона, масштаб которой будет соот ветствовать исходным картографическим материалам. Этот путь, хотя и связан с ре шением достаточно сложных вопросов тактического плана, обусловленных (кроме проблемы активности разрывов) отличием парагенезиса, а также самой организации разломной сети на разных стадиях развития дизъюнктива, ведет практически в любой ситуации к успешному выделению зоны его влияния на местности.

Главной проблемой в данном случае является качество исходных для построе ния материалов, которые должны объективно отражать не только положение разлом ных сместителей, их морфогенетический тип, но и взаимоотношения с сопутствую щими более мелкими тектоническими нарушениями. Построение таких карт, несмот ря на интенсивно развивающиеся в настоящее время компьютерные технологии по дешифрированию космо- и аэроснимков, основано на проведении полевой структур но-геологической съемки. Кроме того, повышенные требования к ее точности ввиду неудовлетворительной обнаженности большинства регионов приводят к необходимо сти проведения дорогостоящих горных работ, что имеет ограничение по экономиче ским причинам. Именно поэтому геологическая съемка в настоящее время представ ляет собой в основном картирование вещественных комплексов, более доступных для непосредственного изучения, чем традиционно документируемые элементы структу ры (зоны дробления, милонитизации, тектонического рассланцевания, складки и т. п.), встречающиеся далеко не в каждом коренном выходе.

Таким образом, в настоящее время одной из актуальных прикладных задач является создание таких методик геологической съемки, которые бы, с одной стороны, позволяли создавать итоговые материалы, удовлетворяющие современным требованиям к картированию разломной структуры по качеству, а, с другой, были бы экономически эффективными ввиду использования максимально возможного объема структурной информации с ествественных обнажений горных пород. В данной части монографии представлен один из таких методов, причем его теоретическую основу составляют выявленные ранее тектонофизические закономерности внутреннего строения разломных зон земной коры. Вначале рассматриваются главные принципы и этапы метода специального картирования разломной структуры (сокращенно «спецкартирование»), а затем иллюстрируются его особенности на конкретных при мерах. Последние были выбраны так, чтобы представить, во-первых, разные возмож ности методического комплекса, и, во-вторых, эффективность его применения для рудной геологии, сейсмологии, инженерной геологии и гидрогеологии, то есть в практических отраслях геологии, где исследованию разломов уделяется повышенное внимание.

Глава III.1. Основы спецкартирования разломной структуры земной коры Главной особенностью метода спецкартирования является то, что он в отличие от других приемов и способов выявления разрывных нарушений основывается на анализе трещиноватости. Ее выбор в качестве главного предмета исследований обу словлен повсеместным распространением во всех коренных выходах горных пород, чего нельзя сказать о любом другом элементе разрывной структуры. Именно это свойство трещиноватости позволяет при знании тектонофизических закономерностей разломообразования получить удовлетворительную по качеству информацию о раз ломной структуре исследуемого региона при минимуме экономических затрат.

Следует отметить, что важность изучения трещиноватости горных массивов подчеркивается во многих руководствах по структурной геологии [Методическое ру ководство…, 1978;

Михайлов, 1984;

Белоусов, 1985]. Однако на практике широко масштабные наблюдения за трещинами, как правило, не проводятся из-за большой время- и трудоемкости работ или по причине отсутствия таких приемов и способов исследования, которые бы позволяли получать необходимую информацию по струк туре практически в каждом коренном выходе. В настоящее время возможность при менения компьютеров при обработке больших объемов информации, а также уровень знаний о тектонофизических закономерностях разрывообразования дают возмож ность на качественно новом уровне картировать структуру земной коры на основе анализа трещиноватости.

В первом разделе данной главы рассматривается содержание главных этапов спецкартирования разломной структуры, что позволяет организовать его проведение практически на любой территории. Второй раздел включает описание серии методи ческих приемов, которые могут быть включены в состав спецкартирования при ре шении специфических задач, связанных, прежде всего, с выявлением особенностей внутренней структуры разломных зон в пределах тектонически активных территорий.

III.1.1. Метод спецкартирования разломной структуры на основе изучения трещиноватости Картирование разломной структуры на базе исследования трещиноватости производится в два этапа. Первый из них является главным, оригинален по содержа нию и поэтому ниже рассматривается более подробно. Второй этап представлен в кратком виде, поскольку состоит из уже известных методических приемов исследо вания трещин и разломов, корректирующих и дополняющих результаты первого эта па спецкартирования.

III.1.1.1. Содержание первого этапа спецкартирования Работы в рамках первого этапа строятся на следующих принципиальных положе ниях, в корне отличающихся от тех, которые составляют идеологическую основу второ го этапа: 1) массовый характер наблюдений с возрастанием качества результатов спец картирования по мере увеличения количества изученных коренных выходов;

2) едино образие наблюдений в пределах каждого обнажения горных пород, что существенно при массовых исследованиях, так как значительно снижает затраты времени на сбор и обра ботку полевого материала.

Эти положения позволяют добиться существенной формализации основных опе раций первого этапа и, таким образом, свести к минимуму зависимость результатов ис следований от воли их конкретного исполнителя. Кроме того, имеется реальная возмож ность полной автоматизации обработки статистической информации по трещинам, так как уже сейчас ее наиболее трудоемкие операции производятся на компьютере.

Сбор и обработка фактического материала. Главной задачей при сборе факти ческого материала на первом этапе картирования является создание на изучаемой пло щади сети точек наблюдения. Маршруты проводятся без использования какого-либо специального оборудования или снаряжения вкрест простирания главных деформаци онных элементов с целью освидетельствования наибольшего количества структурных ситуаций, характерных для изучаемой территории. Расстояние между линиями мар шрутов и документируемыми коренными выходами зависит от детальности картирова ния и должно быть по возможности одинаковым.

Основу наблюдений за трещинами в каждом обнажении горных пород составляет массовый замер элементов их залегания. Он проводится в соответствии с принятыми в структурной геологии правилами [Михайлов, 1984] путем последовательного измере ния всех трещин в пределах произвольно выбранного участка коренного выхода (площадью приблизительно 10 м2) с указанием их элементов залегания и, если воз можно, генетической разновидности, состояния поверхности скольжения (штрихи, бо розды и т. п.) и заполнителя, особенностей взаимоотношений с другими трещинами, ко личественных параметров.

Массовый замер элементов залегания трещин, проведенный статистическим способом, – это та необходимая и достаточная для дальнейшей обработки информация, которая может быть собрана в пределах любого коренного выхода. Однако в обнажени ях иногда встречаются такие структурные элементы, как разрывы со смещениями, зоны дробления, тектонического рассланцевания, повышенной трещиноватости и т. д. Они не являются главным предметом исследования на первом этапе спецкартирования, но ин формация о их местоположении вместе с краткой характеристикой должна фиксиро ваться вместе с наблюдениями за трещиноватостью.

Обработка полевых материалов начинается с построения по известной методике [Михайлов, 1984;

Николя, 1992] круговых диаграмм трещиноватости для каждой точ ки наблюдения (рис. III.1, БII-III, BI-III). При этом необходимо учитывать три момента, касающиеся плотностных характеристик максимумов полюсов трещин. Последние об ладают в условиях статистических измерений большой информативностью и поэтому широко используются в дальнейших операциях. Во-первых, изолинии на диаграммах должны быть рассчитаны в процентах, что обеспечивает возможность сравнения абсо лютных значений плотностей полюсов трещин в максимумах с диаграмм, построенных по различному числу замеров. Во-вторых, по этой же причине для подсчета плотности при построении всех диаграмм необходимо использовать одинаковую величину окна палетки, так как изменение данного параметра существенно влияет на рисунок изоли ний. Как показывает опыт, при количестве замеров, близком к ста, удобно пользо ваться величиной окна с радиусом в 10°.

Рис. III.1. Диаграммы, отражающие нарушенность горных пород в зонах влияния сброса (А), надвига (Б) и сдвига (В) тремя примерно перпендикулярными направлениями трещин.

АI-VI, БI. Сводные диаграммы распределения максимумов трещиноватости (черные кружки), кото рые соответствуют главной (1), второстепенной (2) и дополнительной (3) системам в тройках, ориентированных в пространстве различным образом.

БII-III, ВI-III. Круговые диаграммы трещиноватости (верхняя полусфера;

100 замеров;

уровни изо линий 2-4-...-10%).

Третье замечание касается поправки, которую следует вводить в значения мак симумов плотности из-за того, что трещины с различными углами падения оказыва ются при статистическом массовом замере в неравном положении. Участок измерения в обнажении, как правило, протяженнее по горизонтали, чем по вертикали, где он огра ничивается ростом человека. Поэтому, если для примера взять трещины, распола гающиеся на одинаковом расстоянии друг от друга (то есть имеющие одинаковую густоту), то в зависимости от наклона к горизонту их количество, попадающее в мас совый замер, будет различным: чем больше угол падения, тем больший максимум мы увидим на диаграмме.

Таким образом, существование систематической ошибки в измерениях объек тивно и поэтому не может быть корректно исправлено на стадии сбора полевой инфор мации. Ниже описывается порядок ее устранения при обработке полученных материа лов для значений максимумов плотности полюсов трещин, которые используются в дальнейших операциях. Вначале для картируемой площади необходимо построить график, аналогичный показанному на рис. III.2. По нашим данным, кривые подобного типа, полученные для различных регионов, лишь в деталях отличаются друг от друга.

Для их построения с круговых диаграмм собирается информация о значениях всех мак симумов, попадающих в фиксированные интервалы углов падения (0-10°, 11-20°,..., 81 90°), а затем вычисляется среднее арифметическое для каждого интервала.

Рис. III.2. График зависимости плотности трещин от их наклона к горизонту.

NТ – среднее арифметическое величин максимумов по люсов трещин, взятых со всех круговых диаграмм и попавших в фиксированные интервалы углов падения (0-100, 11-200... 81 900);

- угол падения плоскости трещины.

Среднее значение полученных таким образом чисел будет представлять собой ту гипотетическую (так как она не зависит от структурной ситуации на точке наблюде ния) плотность полюсов трещин, которую они должны иметь в целом для площади неза висимо от наклона к горизонту. На рис. III.2 данному значению соответствует пунктир ная линия, по которой и вычислялись поправки для каждого интервала углов падения (010° - 1.4, 1120° - 1.6, 2130° - 1.4, 3140° - 1.2, 4150° - 0.9, 5160° - 0.9, 6170° 0.8, 7180° - 0.8 и 8190° - 0.8). Коррекция значений максимумов производится путем перемножения соответствующих им плотностей с вычисленными коэффициентами. По сле проведения подобной операции вес максимумов, образованных пологими трещина ми, в целом увеличивается, а крутыми – уменьшается.

Процесс собственно обработки круговых диаграмм базируется на сведениях по нетектонической трещиноватости и результатах исследования закономерностей распре деления тектонических трещин в зонах влияния разломов, подробно рассмотренных в предыдущей монографии [Семинский, 2003]. Так, было установлено, что формирова ние разрывных сетей любой природы (тектонической, диагенетической, контракци онной, регмагенетической), как правило, протекает в поле более или менее значи тельного внешнего воздействия, приводящего к образованию трещиноватости сис темного типа. При этом в небольших объемах горных пород при существенно упругой реакции среды наиболее часто образуются не две (как считалось ранее), а три системы сопряженных трещин, располагающихся примерно (вариации в зависимости от угла скалывания составляют 15-20°) под прямым углом друг к другу (см. рис. III.1). Данный структурный парагенезис по встречаемости резко преобладает над другими известны ми сочетаниями систем трещин (конусы, пирамиды, пояса и т. д.), условия образова ния которых более специфичны и имеют место в ограниченном круге природных си туаций. В связи с этим выявление характерных для изучаемой площади разноориенти рованных парагенезисов из трех взаимно перпендикулярных систем трещин является главной задачей обработки круговых диаграмм.

Вначале анализируется каждая диаграмма в отдельности, причем отклонения от прямого угла между некоторыми системами разрывов в связи с вариациями угла ска лывания могут достигать 20°. Количество троек-систем трещин в одном коренном вы ходе зависит от сложности структурной ситуации и варьирует от нуля до 10-12 штук.

Все выявленные для изучаемой площади структурные парагенезисы далее де лятся на группы в соответствии с ориентацией в пространстве. Прямой путь решения этой задачи состоит в совместном анализе всей полученной совокупности троек систем трещин. Данная операция производится на компьютере в программном ком плексе «СКАТ», созданном автором раздела совместно с программистом Е.А. Левиной.

При невозможности использования автоматизированной обработки прямой путь сорти ровки троек оправдывает себя только при малом количестве точек наблюдения, когда можно детально рассмотреть положение каждого структурного парагенезиса в выде ленной группе. В случае большого объема массива троек (что обычно и имеет место) рекомендуется другая, также хорошо опробованная нами схема сортировки троек, слагающаяся из ряда операций, суть которых состоит в последовательном увеличении детальности формирования групп.

Прежде всего, анализу подвергаются структурные парагенезисы из исходного массива, характеризующиеся наибольшей распространенностью на изучаемой площа ди. Это тройки с каждой точки наблюдения, имеющие максимальный показатель ин тенсивности (I) их проявления на структурной диаграмме, который следует вычислять по формуле: I = iмакс (iср + iмин) / (iмакс + iср + iмин ), где iмакс, iср, iмин – величины максимумов, соответст вующих первой (наиболее интенсивной), второй (средней) и третьей (наименее интен сивной) системам трещин, образующих тройку. Отметим, что получающаяся вели чина позволяет в отличие от простого среднего арифметического учитывать вес каж дого из максимумов, что необходимо при сравнении троек друг с другом.

Выделенные для каждой диаграммы тройки с наибольшими показателями интенсивности составляют массив для первичной группировки, объем которого значительно меньше исходного. Он разбивается на группы структурных парагенезисов, имеющих близкие ориентировки в пространстве. Для них отстраиваются отдельные мини-диаграммы распределения плотностей точек, на которых каждой из составляющих тройку системе трещин соответствует свой максимум. Координаты всех трех максиму мов представляют данную группу одноориентированных парагенезисов и являются эталонным типом для дальнейшей сортировки.

Далее каждая тройка исходного массива сравнивается с выделенными после пер вичной группировки эталонными типами и за небольшим исключением попадает в одну из соответствующих им групп. При этом отклонение систем трещин от их средних положений не должно превышать определенного значения (величины окна), зависящего от детальности проводимых исследований. Наши наблюдения показали, что окно с ра диусом в 20-25° представляется оптимальным для большинства изученных регионов с площадью 500-1000 км2.

Стадия обработки полевых материалов заканчивается представлением получен ных данных в виде различного рода схем изучаемой территории. Вначале для нее сле дует построить серию карт встречаемости троек-систем трещин, относящихся к каждой из выделенных групп. Все остальные схемы по сути являются производными от этой главной серии карт и строятся в зависимости от того, какой аспект разломно-блоковой структуры исследуется с большей детальностью. Ниже охарактеризованы основные направления интерпретации полученных материалов, которые могут быть использованы в качестве основы для выявления определяющих черт структуры любого природного ре гиона.

Интерпретация результатов. В рамках первого направления интер претации полученных материалов практически не требуется каких-либо дополни тельных построений. Выделенные при помощи анализа главной серии карт места рас пространения одноориентированных троек-систем трещин (то есть их отдельных ти пов) являются теми участками, где напряженно-деформированное состояние горных пород на определенном этапе тектогенеза было аналогичным. Поэтому совместное рас смотрение карт позволит построить единую схему районирования изучаемой террито рии с блоками, деформирование которых происходило в одинаковых условиях. В даль нейшем она может сравниваться с другими картографическими геологическими, геофи зическими, геохимическими материалами не только на качественном, но и на количе ственном уровне, так как благодаря введению показателя интенсивности тройки структурная информация приобретает численное выражение.

Следующим направлением интерпретации результатов первого этапа спецкар тирования является установление природы каждой из групп одноориентированных структурных парагенезисов. Это позволит охарактеризовать процессы, приведшие к формированию трещиноватости в отдельных участках изучаемой территории. Степень сложности анализа в данном случае зависит от того, в какой мере регион затронут тек тоническими процессами.

Для территорий со слабыми проявлениями тектонической активности интерпре тация сводится, во-первых, к установлению генетической связи выделенных троек систем трещин с каким-либо из трещинообразующих процессов (например, складко образование, контракция, уплотнение пород под действием веса вышележащих толщ, регмагенез и т. д.) и, во-вторых, к анализу закономерностей распределения разноори ентированных структурных парагенезисов в пространстве, которые и будут свидетельст вовать о характере протекания перечисленных выше процессов на изучаемой площади.

Более подробного рассмотрения заслуживают особенности интерпретации резуль татов спецкартирования территорий с интенсивными проявлениями тектонических де формаций, включая разломообразование, где обычно и проводятся многоплановые структурные исследования. По отношению к таким регионам можно считать справед ливым утверждение, что любой сравнительно небольшой объем земной коры (в узком смысле – обнажение горных пород) принадлежит зонам влияния одного или, в случае неодноактных деформаций, нескольких разломов в их широком понимании. Следова тельно, главной задачей при интерпретации материалов первого этапа спецкартирова ния в большинстве случаев является установление связи выделенных участков с разло мами. Ее решение основано на закономерностях распределения в разломных зонах трех взаимно перпендикулярных систем трещин, составляющих основу их внутренней структуры в соответствии с результатами наших предыдущих целенаправленных ис следований [Семинский, 2003].

Было установлено, что при существенном преобладании одной из компонент дви жения по разломной зоне не все системы трещин в тройке оказываются в одинаковых условиях развития (см. рис. III.1). Две из них, являющиеся классической парой сопря женных сколов Риделя, в отличие от третьей, имеют для описанных типов разломов об щие особенности расположения в пространстве. Для сброса и надвига это трещины, па раллельные плоскости сместителя, а для сдвига – две системы вертикальных разрывов, одна из которых также совпадает с простиранием разломной зоны. Среди этих систем трещин первая, отличающаяся большей величиной максимума на диаграмме (с учетом поправки), называется главной, а вторая – второстепенной. Что же касается третьей сис темы трещин (дополнительной), то она, характеризуясь двойственной (скол-отрывной) природой, имеет поперечное расположение по отношению к двум первым и для сброса и надвига вертикальна, а для сдвига горизонтальна.

Результаты первого этапа картирования в виде схем изучаемой площади с нане сенными на них в местах локализации точек наблюдения элементами залегания глав ной системы трещин позволяют по распределению одноориентированных троек не только определить местоположение и границы зон влияния разломов, но и в боль шинстве случаев установить их морфогенетический тип. Согласно изложенному выше, определение (по ориентировке в пространстве трещинных парагенезисов) сдвигов с од ной стороны, а надвигов и сбросов с другой не вызывает серьезных трудностей. Что же касается идентификации разломов, формирующихся при сжатии или растяжении, то она может быть проведена по зональности внутреннего строения, которая обусловлена спецификой эволюции R- и R’-сколов в разломных зонах, характеризующихся поступа тельной миграцией фронта разрывообразования [Семинский, 2003]. Итогом этого про цесса является разделение в продольном направлении образовавшихся при сжатии или растяжении земной коры линейно вытянутых участков распространения одноориенти рованных троек на две неодинаковые по размерам подзоны, отличающиеся по положе нию в пространстве главной системы трещин структурного парагенезиса (см. рис. I.7).

В зонах сжатия трещины главной системы в разных подзонах «падают» от периферии к центру, тогда как в зонах растяжения наблюдается обратная картина. Эти выявлен ные эмпирическим путем закономерности позволяют отличить друг от друга разломы сжатия и растяжения по положению в пространстве главной системы трещин, нане сенному на карты встречаемости структурных парагенезисов разных типов.

Материалы спецкартирования могут служить основой и для более конкретного заключения о морфогенетическом типе разрывного нарушения, если имеется возмож ность определить, в какой из двух подзон находится магистральный сместитель. Так, неравномерное (по экспоненциальному закону) увеличение плотности трещин главной системы от периферии к какой-то достаточно узкой внутренней полосе может служить косвенным признаком существования в ее пределах сравнительно крупного разрывного нарушения. Его элементы залегания соответствуют таковым для главной системы тре щин, изученной по поперечному профилю. Тогда разломная зона, сформировавшаяся при сжатии, может быть определена как взбросовая или надвиговая, а разломная зона, образовавшаяся при растяжении, – как пологий или крутой сброс, причем в обоих слу чаях главные сместители будут отличаться по элементам залегания и падать в проти воположные стороны. К данным, которые за неимением более точной информации мож но использовать для определения морфогенетического типа того или иного дизъюнк тива, относятся материалы спецкартирования о ширине подзон, показателях интен сивности составляющих их троек и т. д. Большие значения параметров для одной из подзон свидетельствуют о более интенсивных тектонических подвижках и, следова тельно, возможной локализации там магистрального сместителя. Массовый характер наблюдений на первом этапе картирования, а также совместный анализ нескольких па раметров у отдельных подзон позволяют достаточно точно определить тип разлома и его генерализованные элементы залегания. В то же время рассмотренные характери стики, по сути, являются косвенными, что не дает возможности во всех без исключения случаях рассчитывать на получение верного решения.

Особый случай представляют разломные зоны со смешанным характером пере мещения крыльев (сбросо-сдвиги, взбросо-сдвиги и т. п.). Основу их внутренней структуры также составляют парагенезисы из трех примерно перпендикулярных сис тем трещин.

Однако их пространственные взаимоотношения представляют промежу точные ситуации по сравнению с рассмотренными выше, так как ни один из максиму мов не лежит на диаграмме вблизи центра или большого круга (см., например, рис. III.1, АVI). Линейно вытянутые участки распространения троек-систем трещин промежуточных типов являются разломными зонами со смешанным характером пере мещения крыльев. Отличить второстепенную систему трещин в их пределах от допол нительной не представляется возможным. Однако по характеру проявления главной (наибольшей густоты) системы, то есть элементам залегания, плотности и т. п., в ряде случаев можно сделать предварительное заключение о положении магистрального сме стителя.

Итак, работы первого этапа спецкартирования дают возможность путем анализа ориентировок трещин в серии сближенных обнажений горных пород получить важную информацию о структуре изучаемой территории. В наиболее сложных для исследова ния регионах с интенсивными проявлениями тектоники спецкартирование, основываясь на выявленных ранее парагенетических закономерностях строения приразломных тре щинных сетей, является источником данных о разломах даже при отсутствии привыч ных геологических доказательств их существования в том или ином коренном выходе.

При этом определяются, во-первых, местоположение и границы разломных зон, во вторых, условия их образования (сдвиг, сжатие, растяжение) и, в-третьих, некоторые особенности внутреннего строения.

Еще одно важное направление в интерпретации результатов первого этапа кар тирования заключается в принципиальной возможности построения карты локальных полей палеонапряжений для исследуемых регионов. В связи с тем, что главная и второ степенная системы трещин являются двумя сопряженными направлениями разрывов в широко распространенном понимании данного термина [Гзовский, 1963;

Николаев, 1977;

1992;

Шерман, Днепровский, 1989], их положение, известное для каждой трой ки, можно использовать при восстановлении осей напряжений по широко известным отечественным [Гзовский, 1963;

Николаев, 1977;

1992;

Шерман, Днепровский, 1989] или зарубежным [Stearns, 1969;

Friedman, Stearns, 1971;

Zoback, Zoback, 1980;

Струк турная геология…, 1990] методикам. При этом массовый площадной характер иссле дований на первом этапе работ, когда возможен анализ групп одноориентированных троек-систем трещин, делает выделение двух разрывных направлений для определе ния ориентировок осей палеонапряжений более обоснованным.

Итак, массовое исследование ориентировок в пространстве систем разрывов, имеющих место в каждом коренном выходе, открывает возможность для картирования структуры большинства природных регионов. Однако объем проводимых для этого ра бот требует значительного времени, которое не всегда имеется в распоряжении исследо вателя. Для ускорения процесса обработки количественных данных первого этапа картирования рекомендуется использование компьютеров, поскольку основные его операции достаточно просты для автоматизации. Что же касается стадии сбора фак тического материала, то ее трудоемкость может быть значительно снижена в случае производства работ опытным геологом-практиком. Так, массовый замер, отнимающий при документации каждой точки наблюдения большую часть времени, для ряда корен ных выходов с достаточно простой сетью трещин может быть заменен измерением ори ентации главных направлений разрывов. При этом особое внимание следует уделять поиску взаимно перпендикулярных систем трещин и определению их густоты. В пре дельном случае массовые замеры трещиноватости могут вообще не проводиться (экс пресс-вариант метода), что снижает достоверность результатов, но позволяет в полном объеме осуществлять обработку собранных в поле материалов.

Первый этап спецкартирования, произведенный в соответствии с данным выше описанием, представляет собой вполне законченное оригинальное исследование, бази рующееся на закономерностях, выявленных эмпирическим путем и объясненных теоре тически с позиций механики разрушения. Работы могут проводиться обособленно, но наибольшая эффективность достигается при их совмещении с исследованиями разлом ной тектоники традиционного типа, позволяющими, если это необходимо, уточнить и углубить полученные на первом этапе результаты.

III.1.1.2. Содержание второго этапа спецкартирования Объектами исследования в данном случае являются лишь те коренные выходы, где присутствуют специфические структурные формы, подвергающиеся изучению при проведении большинства тектонических исследований (зоны дробления, разрывы со смещениями, складки и т. д.). Вследствие этого основные принципы первого этапа кар тирования на втором этапе автоматически заменяются прямо противоположными. На смену массовому изучению коренных выходов в пределах рассматриваемой площади и единообразию получаемого при этом фактического материала приходит документиро вание специфических, наиболее информативных тектонических элементов в отдельных точках картируемой территории.

Полевые работы сводятся к площадному исследованию структурных элементов, обнаруженных в ряде коренных выходов (ключевых точках) на предыдущем этапе кар тирования. Так, при изучении сместителя разлома маршруты должны проводиться вдоль его простирания с целью сбора необходимого материала, позволяющего сделать заключение о типе и закономерностях развития данного тектонического нарушения.

Если структурный элемент имеет нелинейную форму, то он может быть исследован в отдельных точках наблюдения или, если возможно, серии сближенных коренных выхо дов.

Особенности сбора фактического материала в каждой точке наблюдения, его дальнейшей обработки и интерпретации зависят, во-первых, от разновидности «обна жающейся» структурной формы и, во-вторых, от задач исследования. Содержание ра бот в отличие от ситуации с первым этапом спецкартирования не является предметом собственных разработок автора и в достаточной степени описано в соответствующих учебных пособиях и оригинальных публикациях.

Прежде всего, это так называемые стандартные способы исследования тектони ческих структур, которые обычно используются при геолого-разведочных работах и дают материал для интерпретации уже непосредственно в поле. Отметим, что при вы боре методических приемов в рамках описываемой группы следует опираться на те, в результате применения которых можно получить информацию о разломах (их парамет рах, морфогенетическом типе, происхождении, возрасте, стадии развития) как основ ных составных элементах тектонической структуры. В качестве справочного пособия (кроме обычных учебников по структурной геологии) из зарубежных работ здесь можно рекомендовать использовать монографию Дж. Рэмси и М. Хьюбера [Ramsay, Huber, 1987], а из отечественных – брошюру А.И. Родыгина [1991], являющиеся достаточно полными сводками способов и приемов полевого изучения различных элементов текто нической структуры.

Вторую группу образуют специальные методы, которые требуют значительной камеральной обработки собранного в поле фактического материала. При проведении работ по картированию можно либо воспользоваться одной из известных отечествен ных [Данилович, 1961а;

Гзовский, 1963;

Николаев, 1977;

Гущенко, 1979;

Парфенов, Парфенова, 1980;

Ребецкий, 2000] или зарубежных [Stearns, 1969;

Zoback, Zoback, 1980;

Angelier, 1984;

Reches, 1987;

Angelier, 1989] методик, либо применять несколько способов [Шерман, Днепровский, 1989], увеличивая тем самым «разрешающую спо собность» исследования. При этом выбор сопряженных систем трещин для парагенети ческих методов восстановления ориентировок осей главных нормальных напряжений становится более определенным, если принять во внимание установленные ранее зако номерности угловых взаимоотношений между разрывами [Семинский, 2003]. При от сутствии какой-либо дополнительной информации об условиях разрывообразования в регионе для получения решения можно использовать системы трещин, находящиеся примерно под 90° (±15°) друг к другу, поскольку именно этот угол характерен для боль шинства природных ситуаций.

Использование перечисленных выше методик существенно дополняет возможно сти первого этапа спецкартирования. Так, если анализ троек-систем трещин (а также сопряженных систем в рамках методов М.В. Гзовского, П.Н. Николаева и т. п.) позво ляет получить данные о разрывной структуре, которая существовала в момент их обра зования, то использование на втором этапе картирования, например, методик изуче ния штрихов скольжения по трещинам, дает возможность исследовать период акти визации уже существовавших разрывных нарушений.

Результатом работ на втором этапе картирования является сеть точек наблюде ния, в пределах которых решен тот или иной вопрос, связанный с разломно-блоковой структурой территории. В наиболее удачных (в плане наличия информации) случаях близко расположенные точки наблюдения могут образовывать участки с однородной смысловой нагрузкой. Тогда полезно построение не одной, а нескольких схем с различ ным содержанием (схема отрезков сместителей разломов, карта полей напряжений, схема складчатых структур и др.). Такие материалы содержат информацию, к получе нию которой в конечном итоге стремится любой геолог-структурщик, но ее, как прави ло, недостаточно для выяснения специфики структурообразования в пределах всей рассматриваемой площади. Это обусловлено, с одной стороны, отсутствием необходи мого количества точек наблюдения с характерными структурными формами, а с другой – недостатками методик получения и обработки информации.

* * * В соответствии с приведенным выше описанием работы на двух этапах спец картирования в корне отличны по характеру проводимых исследований и получаемым результатам, что естественно, так как в их базу изначально заложены взаимоис ключающие идеологические принципы. Таким образом, недостатки исследований в рамках одного этапа перекрываются достоинствами другого и наоборот.

Совместная интерпретация материалов осуществляется на основе анализа клю чевых точек наблюдения, где проводились работы в рамках обоих этапов спецкартиро вания. При этом уникальная информация о структуре, полученная на втором этапе пе реносится с ключевой точки на весь пространственно связанный с ней блок или зону, выделенные на первом этапе. Таким образом, в конечном итоге в распоряжении иссле дователя оказывается необходимая информация о структуре всей исследуемой площади:

откартированы сместители разломов и зоны их влияния в трещиноватости, оконтурены блоки, собраны данные о структурном заполнении и происхождении выделенных объе мов. Полученных материалов достаточно не только для понимания пространственных взаимоотношений откартированных структурных единиц, но и для воссоздания исто рии их развития, что является ключевой проблемой любого тектонического исследо вания.

В заключении необходимо отметить, что форма представления результатов спецкартирования (в том числе и в виде количественной информации о плотности и интенсивности трещиноватости) удобна для сопоставления с материалами других ви дов исследования структуры природных регионов. В этой связи особенно эффективно комплексирование метода с геофизическими способами и приемами выявления раз ломных сместителей (например, радоновая и гелиевая съемки, различные виды элек трических зондирований и др.), а также с линеаментным анализом топографических карт, дешифрированием аэро- и космоснимков. Последний вид работ рекомендуется для обязательного проведения в комплексе со вторым этапом спецкартирования, ко гда главным объектом исследования является современная разломная структура како го-либо региона, которая не всегда может быть выявлена традиционными структур но-геологическими приемами.

III.1.2. Оригинальные методические разработки, дополняющие спецкартирование при проведении целенаправленных геологических исследований Метод спецкартирования в том виде, как он был изложен в предыдущем разде ле, окончательно сформировался 10 лет назад [Семинский, 1994]. За это время был приобретен достаточно большой опыт его применения на практике в регионах с вы сокой (Прибайкалье, Вьетнам, Памир, Южный Тянь-Шань), умеренной (Забайкалье) и низкой (Сибирская платформа) тектонической активностью. За редким исключени ем исследования были направлены на выявление разномасштабных разломных зон земной коры и изучение закономерностей их внутреннего строения на основе массо вых наблюдений за трещиноватостью. В ходе работ с разнородной структурно геологической информацией и в регионах с существенно отличающейся литологией выкристаллизовалась серия приемов и способов исследования, дополнительное ис пользование которых в рамках спецкартирования существенно повышает его эффек тивность. Часть из них (статистические) явилась следствием привлечения к анализу стандартных статистических методов исследования. Другая группа (структурно парагенетические) обязана своим существованием закономерностям, которые были выявлены в ходе проведения исследований эмпирическим путем, а затем получили тектонофизическое объяснение с позиций механики разрушения горных пород. Та ким образом, не только опыт исследования, но и теоретическая обоснованность по зволяет рекомендовать эти методические разработки для дополнительного примене ния при спецкартировании, рабочий вариант которого должен определяться, исходя из задач конкретного геологического исследования.

III.1.2.1. Статистические способы анализа разрывных сетей Из известных статистических приемов обработки количественной информации к работам по спецкартированию привлекались два: кластерный и фрактальный анали зы. Это связано с возможностью количественно охарактеризовать организацию раз рывной структуры коренного выхода в целом, что существенно дополняет спецкар тирование, где используются такие параметры, как плотность разрывов (объемная, площадная, линейная, по направлениям и т. п.) или интенсивность проявления троек систем трещин (I), отражающие лишь частные, хотя несомненно важные, особенно сти трещинной сети. Исходной информацией для кластерного анализа является ре зультат массового замера элементов залегания трещин, а для фрактального – фото графия обнажения горных пород, то есть информация, которая может быть получена для любого коренного выхода. Как следствие этого, представленные ниже методиче ские приемы рекомендуются для использования на первом этапе спецкартирования с последующим выделением структурно-однородных объемов.

Кластерный анализ. Данный тип исследования позволяет осуществить рай онирование исследуемой территории с выделением участков (блоков) земной коры, характеризующихся сходной историей деформаций или при изучении трещиновато сти – с аналогичной структурой трещинной сети. Суть методического приема заклю чается в использовании операции кластеризации для сопоставления массовых заме ров трещин с различных точек наблюдения.

Анализ проводится с применением методов, предлагаемых программным ком плексом «STATISTICA». Исходным материалом являются матрицы значений плотно сти полюсов трещин, используемые обычно для построения прямоугольных диа грамм [Николаев, 1977]. Каждая матрица «разворачивается» в ряд цифр, которые со ставляют один столбец данных для кластерного анализа. Таким образом, количество столбцов в таблице соответствует числу сравниваемых диаграмм (или точек наблю дения). Величины плотностей в каждой ее строке имеют одни и те же координаты (то есть азимут и угол падения), поскольку вычисляются путем осреднения полюсов трещин с одинаковым для всех диаграмм размером окна (рекомендуется 10°).

Один из неоднозначных моментов реализации предлагаемой методики связан с выбором разновидности метода кластеризации. Наши тестовые исследования показа ли, что из всех представленных комплексом «STATISTICA» модификаций наиболее приемлемой для анализа трещинных сетей является «Ward». Второй момент касается выделения по полученной после кластеризации дендрограмме наиболее значимых групп матриц, которые и представляют коренные выходы со сходной организацией трещинной сети. Эта операция может проводиться на количественной основе с ис пользованием характерной точки Х на графике вариаций количества выделяющихся групп (К) в зависимости от значений показателя D (рис. III.3). Эта точка является на чалом самого длинного отрезка постоянных значений К и, таким образом, соответст вует наиболее устойчивому набору групп коренных выходов со сходной структурой трещинной сети. Следует отметить, что описанный способ, успешно использованный, к примеру, для Западного Прибайкалья, может оказаться мало эффективным для дру гих природных регионов. В этом случае рекомендуется руководствоваться известны ми представлениями о структуре природных трещинных сетей. Так, критерием для выделения наиболее значимых групп матриц на дендрограмме может служить подо бие по пяти системам трещин, так как именно такое количество направлений мелких разрывов обычно составляет основу трещинной сети в пределах одного коренного выхода.

Заключительной операцией методики является вынесение на план картируемо го участка данных о принадлежности каждой из диаграмм к выделенной при класте ризации группе. Места расположения коренного выхода отмечаются значком опреде ленного типа (или цвета), свидетельствующим о том, что трещинная сеть в его преде лах соответствует какой-либо из выявленных групп.

Рис. III.3. Результаты кластерного анализа массовых замеров трещин, позволяющие объединить в группы коренные выходы с однотипной труктурой трещинной сети.

А. Дендрограмма кластер-анализа, позволяющая по значению показателя D оценить степень сходства-различия трещинных сетей разных коренных вы ходов.

Б. График, по которому определялось значение показателя D, используемое для разделения массовых замеров на группы (К – количество групп при оп ределенном значении D).

1 – номер коренного выхода с массовым замером трещин;

2 – структура дендрограммы;

3 – линия, соответствующая какому-либо значению D, количе тво пересечений которой с ветвями дендрограммы составляет определенную величину К;

4 – линия, разделяющая дендрограмму на части, каждой из которых оответствует одна из групп коренных выходов со сходной структурой трещинной сети;

5 – линия, соответствующая показателю D, который в соответствии с рафиком был выбран для разделения коренных выходов на группы;

6 – значки, которые могут быть использованы для вынесения на план картируемого участ а информации о принадлежности коренного выхода к какой-либо из выделенных групп;

7 – наиболее протяженный отрезок постоянных значений К на графи е D=f(K).

Площадное распределение диаграмм, попавших в одну группу по результатам кластер-анализа, как правило, свидетельствует о том, что коренные выходы с анало гичной структурой трещинной сети сближены в пространстве и, таким образом, при надлежат к блокам со сходной историей тектонического развития. В этом случае ин терпретация схемы результатов кластерного анализа может заключаться в проведе нии предположительных границ участков (блоков), объективность существования ко торых подлежит заверке в ходе других видов работ по спецкартированию.

Предложенная методическая разработка была успешно реализована в ходе ис следования разломной структуры Иркутского амфитеатра и Западного Прибайкалья (Приольхонье).

Фрактальный анализ. Данный тип анализа используется для районирования изучаемой территории с выделением участков, характеризующихся аналогичной сте пенью сложности трещинной сети, показателем которой является фрактальная раз мерность.

Следует отметить, что фрактальный анализ представляет универсальный математический инструмент, позволяющий охарактеризовать количественно не только геологические структуры (или их составляющие), но и большинство природных форм и процессов [Mandelbrot, 1982;


Feder, 1988]. Его достоинство состоит в возможности (при соблюдении одинаковых методических подходов к расчету фрактальной размерности) описывать одним числом как простые, так и сложные структуры, что значительно упрощает их сравнение. Фрактальный показатель отражает масштабное самоподобие природной среды и процессов, свидетельствуя главным образом о сложности исследуемого объекта.

Фактическим материалом для оценки степени сложности трещинной сети слу жат фотографии коренных выходов. Выбираемые площадки для фотосъемки должны 1) иметь примерно одинаковый размер, 2) быть наиболее показательными по струк туре трещинной сети для коренного выхода в целом и 3) не иметь резких выступов для более точного воссоздания плоской картины при дальнейшей обработке фото графий. Эта обработка начинается с перевода фотоизображений в цифровую форму (рис. III.4), для получения которой в лаборатории тектонофизики ИЗК СО РАН ис пользуется специально разработанная программа-дигитайзер. Собственно фракталь ный анализ выполняется на компьютере с помощью авторской программы «ФРАКТАЛ».

Рис. III.4. Пример фотоизображения трещинной сети в обнажении (А) и его оцифрован ная копия для расчета фрактальной размерности (Б).

В программе заложен алгоритм, реализующий стандартный метод подсчета квадратов (box-counting technique) [Mandelbrot, 1982]. Трещинная сеть помещается в прямоугольную площадку, которая затем путем деления длинной стороны разбивает ся на конечное число квадратных пикселов с исходным размером l0, равным длине короткой стороны площадки. Если соотношение длинной и короткой сторон площад ки не обеспечивает выполнение этого условия, программа автоматически корректи рует размеры длинной стороны так, чтобы ее длина была кратной длине короткой стороны. При дальнейших итерациях размер пикселов уменьшается наполовину: l1 = l0/2,... li = li-1/2. Для каждого нового размера (l0, l1,... li) подсчитывается число условно разрушенных клеток (mi). Расчет фрактальной размерности производится по форму ле:

Df = lg mi / lg li, где Df - фрактальная размерность трещинной сети, mi и li, - соответственно, число разрушенных клеток и размер системы в единицах размера пикселов, исполь зуемых при i-ой итерации [Челидзе, 1992].

Следует отметить, что по сравнению с предыдущими работами [Шерман, Гладков, 1998;

Sherman, Gladkov, 1999], где представленный выше алгоритм исполь зовался для расчета фрактальных размерностей сети разломов, критерий, опреде ляющий разрушенность пиксела при анализе трещиноватости, в данном случае был несколько изменен. Ранее пиксел считался разрушенным при условии пересечения разрывом двух его сторон. Пробные расчеты практически для всех фотоизображений давали высокие и неконтрастные значения фрактальных размерностей даже для уча стков, существенно отличающихся по степени сложности трещинной сети. Так, в пределах зон дробления они были близки к 2, а в слабонарушенных блоках принима ли значения около 1.8. В связи с этим для удобства интерпретации результатов анали за в алгоритме применено более строгое условие: пиксел считался разрушенным, ес ли длина попавшего в него единичного элемента (то есть трещины) равнялась или превышала длину стороны пиксела на данной итерации. Для того, чтобы избежать возможных искажений фрактальной размерности, из расчетов в пределах выбранных площадок исключались (изначально не покрывались пикселами) участки, для кото рых по каким-либо причинам отсутствовала информация о трещиноватости.

Фрактальная размерность, описывающая геометрию трещинной сети, показы вает, насколько сильно исследуемая среда нарушена разрывами. При этом, чем боль ше количество и длина трещин, чем равномернее они распределены на выбранной для расчета площадке, тем выше фрактальный показатель и, следовательно, сложнее трещинная сеть. Справедливость данного положения наглядно иллюстрирует рис.

III.5, где приведены результаты анализа нескольких эталонных рисунков (моделей), объединенных в 3 группы.

Первая группа (I) включает два рисунка (см. рис. III.5, А-Б), на которых при прочих равных условиях единичные элементы распределены неодинаково. Фракталь ный показатель выше в том случае, где они расположены более равномерно на вы бранной площадке (см. рис. III.5, Б). Для последующего анализа в качестве основы использовался рис. III.5, Б. На каждую модель второй группы (II) в уже существую щую сеть было добавлено по 7 элементов разной длины (см. рис. III.5, В-Д). Как и предполагалось, Df возрастает по мере роста протяженности присовокупленных тре щин. При сравнении рис. III.5, Б и рис. III.5, Д можно видеть, что фрактальная раз мерность увеличивается даже при увеличении количества трещин с незначительной длиной. На рисунки, объединенные в третью группу (III), на существующие сетки Рис. III.5. Эталонные рисунки трещинных сетей с разным количеством (III), длиной (II), степенью равномерности распределения (I) трещин и их фрактальные размерности (Df).

были нанесены, соответственно, 7 (рис. III.5, Е аналогичен рис. III.5, В), 14 (см. рис.

III.5, Ж) и 28 (см. рис. III.5, З) элементов, причем их суммарная длина была одинако ва для всех моделей. Оказалось, что величина Df выше для сетей, в которые добавле но меньшее количество разрывов, но большей протяженности, что свидетельствует о высокой значимости длины трещины при расчете фрактала. С другой стороны, срав нительно несущественная разница между фрактальными показателями моделей III группы показывает, что отсутствие протяженных разрывов на расчетной площадке (в коренном выходе) в какой-то мере компенсируется многочисленными короткими трещинами.

Таким образом, параметр Df позволяет одновременно учитывать количество, длину трещин, их взаимное расположение в пространстве и служит дополнительным информативным показателем для описания сложности геометрии трещинной сети, а также оценки степени нарушенности горных пород. Фрактальный анализ трещинных сетей проводился при исследовании внутреннего строения Приморского разлома в районе р. Сарма (Западное Прибайкалье) и зарекомендовал себя как эффективный метод выделения границ зон отдельных разломных сместителей, отличающихся по вышенной сложностью строения трещинных сетей по сравнению с окружающими породами крыльев [Лунина и др., 2002].

* * * Два представленных выше статистических способа анализа трещинных сетей рекомендуется проводить в комплексе, так как они являются полностью независимы ми. Методы отличаются по типу анализируемого фактического материала, смысловой характеристике получаемых оценок и поэтому взаимно дополняют друг друга при уг лубленном анализе трещиноватости на первом этапе спецкартирования.

III.1.2.2. Структурно-парагенетические способы анализа разрывных сетей Кроме тройственных структурных парагенезисов, анализ которых составляет основу спецкартирования, в природе встречаются и другие характерные сочетания трещинных систем (пояса, пирамиды, конусы и др.), являющиеся следствием особых напряженно-деформированных состояний земной коры. Специфические условия их происхождения послужили предыдущим исследователям [Будько, 1958;

Данилович, 1961а;

Гзовский, 1963;

Reches, 1987;

Расцветаев, 1987] основанием для создания ме тодических приемов определения линии скольжения по сместителю или ориентиро вок осей напряжений, которые были рекомендованы выше для применения на втором этапе спецкартирования. Наши многолетние исследования парагенезисов приразлом ных трещин позволили выявить дополнительные особенности формирования уже из вестных сочетаний разрывов (в частности, поясов), а также установить закономерно сти образования сетей трещин (хаотических) в локальных объемах горных пород, ко торые испытали воздействие разных полей напряжений в ходе формирования внут ренней структуры разломной зоны. Созданные на их основе приемы структурно парагенетического анализа представлены ниже и рекомендуются в качестве дополни тельных для реализации в рамках второго этапа спецкартирования.

Анализ хаотических трещинных сетей. Данный тип анализа позволяет вы делять в пределах изучаемой территории участки с определенной структурой тре щинной сети, которая, несмотря на внешне хаотический вид, является закономерным результатом формирования фрагмента разломной зоны, строение которого явилось следствием наложения полей напряжений 2-го порядка, последовательно возникав ших в данном месте при разломообразовании.

Как показали проведенные ранее исследования [Семинский, 2003], эти разновидности полей связаны с переиндексацией осей главных нормальных напряжений в ходе формирования внутренней структуры разломной зоны, причем каждому полю соответствует определенным образом ориентированный парагенезис из трех примерно перпендикулярных систем опережающих трещин, главная и второстепенная из которых являются парой сколов 1-ой (R и R’), 2-ой (n и n’) и 3-ей (t и t’) серий. Поскольку поля напряжений 2-го порядка могут иметь место в разломной зоне в разных сочетаниях, отдельные участки в ее пределах характеризуются трещинными сетями разной степени сложности: от троек-систем трещин до хаотической сети, образованной наложением 3, 4 и более тройственных парагенезисов. Самые распространенные в природе сочетания представлены в плоскостях и полюсах разрывов на рис. III.6 и соответствуют сетям, имеющим место в зонах взброса с углом падения 55°, надвига с углом падения 15°, сброса с углом падения 35°, сброса с углом падения 75°, а также правого и левого субвертикальных сдвигов.Исходной для анализа информацией являются диаграммы массовых замеров трещин, соответствующие точкам наблюдения, которые располагаются в пределах разломных зон, выделенных на первом этапе спецкартирования. Их строение вруч ную или с применением компьютера сравнивается с эталонными распределениями максимумов полюсов трещин, представленными на рис. III.6 или составленными до полнительно для разломных зон, отличающихся типом и пространственной ориенти ровкой. В пределах разломных зон на основе сопоставления выделяются участки со сходной структурой трещинной сети, возникшей под влиянием серии полей напряже ний 2-го порядка, аналогичным образом сменявших друг друга в ходе в процессе раз ломообразования.


Итогом проведенного анализа является информация о морфогенетическом ти пе разломной зоны, а также наиболее важных особенностях ее внутреннего строения (участках пересечения и сочленения разрывов) и временного развития (эволюция ло кальных полей напряжений), причем на отдельных участках практически полностью устанавливается происхождение всех составляющих приразломной трещинной сети.

Предложенная методическая разработка была успешно реализована в ходе ис следования разломной структуры Южного Тянь-Шаня, а также территории г. Иркут ска и его окрестностей.

Анализ поясов трещиноватости. Данный метод, изначально разработанный [Данилович, 1961а] для определения линии смещения по разломным поверхностям, в современных модификациях обладает расширенными возможностями для восстанов ления кинематики движений разломных крыльев.

Определение пояса трещиноватости и теоретическое обоснование причин его возникновения в крыльях надвигов впервые даны в работах В.Н. Даниловича [1950, 1961а]. Под поясом трещиноватости понимается структурный парагенезис, образо ванный совокупностью из нескольких (не менее трех) плоскостей разрывов, линии пересечения которых параллельны между собой или совпадают. Ориентировка таких линий называется осью пояса. На диаграмме пояс представляет собой цепочку из трех и более максимумов полюсов трещин (и иногда образуемый ими «шлейф»), рас полагающихся по дуге большого круга (дуга пояса). Предполагалось, что основной причиной его формирования служит разворот трещин, сформированных на ранних этапах движения по разломному сместителю, под влиянием пластической состав ляющей деформации (рис. III.7). При таком механизме ось пояса (ось вращения) сов падает с промежуточной осью главных нормальных напряжений, а линия, соединяю щая центр диаграммы с точкой пересечения пояса и проекции плоскости разлома, представляет линию тектонического транспорта. Таким образом, основным назначе нием классического варианта метода поясов является определение линии тектониче ского транспорта и в некоторых случаях – восстановление поля напряжений. Соот ветственно, расположение пояса на диаграмме обусловлено морфогенетическим ти пом разрывного нарушения (рис. III.8).

Метод поясов в рассмотренном виде, благодаря простоте и наглядности, ак тивно использовался для структурно-геологических реконструкций в 60-80-е годы прошлого столетия, что в конечном итоге привело к его модернизациям на основе выявленных закономерностей формирования приразломных парагенезисов трещин.

Анализ публикаций, посвященных поясам трещиноватости [Данилович, 1950;

1961а;

Будько, 1958;

Осокина, Цветкова, 1979;

Шерман, Плешанов, 1980;

Чернышев, 1983;

Расцветаев, 1987], а также собственные материалы позволяют сделать вывод, что на построенных по замерам в одном коренном выходе диаграммах трещиноватости фик сируются пояса, которые по происхождению можно отнести к двум типам.

Пояса первого типа формируются двумя способами и проявляются, соответст венно, на ранней или поздней дизъюнктивных стадиях развития разломной зоны в результате эволюции опережающих разрывов. В первом случае это происходит там, где структурный парагенезис представлен двумя и более разновидностями наруше ний 2-го порядка, причем каждое из этих направлений разрывов на более низком ие рархическом уровне в свою очередь сопровождается образованием еще, как мини мум, двух систем сопряженных трещин. Рис. III.9 иллюстрирует наиболее распро страненную ситуацию, когда сочетание двух троек-систем трещин отражается на кру говой диаграмме в виде четкого пояса из четырех максимумов. При этом одна пара сопряженных сколов фиксирует возникновение трещин в зонах разрывов R-типа, а вторая - R’-типа. Кроме того, образуется интенсивный полюсовой максимум, так как трещины третьей (дополнительной) системы от каждого из парагенезисов имеют одинаковое положение в пространстве. Кроме представленного примера, возникно вение таких составных поясов в обобщенном виде показано на рис. III.6, который от ражает достаточно часто встречающиеся в природе ситуации. Во втором случае пояс начинает формироваться с момента начала прорастания магистрального шва. Теоре тическое обоснование возникновения таких поясов, состоящих из попарно сопряжен ных вторичных разрывов, в результате вариаций в ориентировках осей напряжений локального поля вблизи окончаний прорастающего разлома приведено в работе Д.Н. Осокиной и Н.Ю. Цветковой [1979].

Второй тип – классические вращательные пояса трещиноватости, исследован ные В.Н. Даниловичем [1961а]. Главным недостатком предложенных автором метода построений является невозможность точной идентификации морфогенетического ти па разлома (сброс или взброс, правый или левый сдвиг и т. п.). Для этого необходим либо дополнительный, достаточно сложный, анализ трещиноватости [Шерман, Пле шанов, 1980;

Шерман, Днепровский, 1989], либо привлечение иных структурных данных, которые, как показывает опыт, присутствуют лишь в отдельных точках на блюдения, из-за чего исследователь постоянно испытывает дефицит информации та кого рода. В то же время заложенные В.Н. Даниловичем теоретические основы со держат значительные резервы для дальнейшей модернизации метода, которая дает возможность при некоторых условиях определять направление перемещения крыльев разлома без анализа дополнительных материалов.

природе случая транспрессивного скалывания (угол между сместителем разлома и осью 1 – 55°;

угол скалывания – 30°), что позволяет их использовать для ин 1 – полюса (а) и плоскости (б) главного сдвигового сместителя 1-го порядка;

2 – полюса (а) и плоскости (б) главного надвигового (взбросового) смести Парагенезисы представлены на круговых диаграммах (верхняя полусфера, сетка Вульфа) в полюсах и плоскостях для наиболее распространенного в Рис. III.6. Эталонные парагенезисы разрывов 2-го порядка и соответствующих им троек-систем трещин, имеющие место в зонах взброса, теля 1-го порядка;

3 – полюса (а) и плоскости (б) главного сбросового сместителя 1-го порядка;

4 – полюса (а) и плоскости (б) cдвигов 2-го порядка;

5 – полюса (а) и плоскости (б) надвигов (взбросов) 2-го порядка;

6 – полюса (а) и плоскости (б) сбросов 2-го порядка;

7 – полюса (а) и плоскости (б) взбросо-сдвигов 2-го Так, детальное изучение трещиноватости в крыль ях разломов, выполненное при проведении спецкартиро вания в различных регионах (Прибайкалье, Памир, Юж ный Тянь-Шань, Западный Саян), позволило нам проана лизировать значительное количество диаграмм с поясами порядка;

8 – полюса (а) и плоскости (б) сбросо-сдвигов 2-го порядка;

9 – положение второстепенной и (или) дополнительной систем парагенезиса.

разных типов. Полученные результаты дают основание дополнить метод Даниловича анализом формы максиму мов, слагающих пояс, что позволяет, во-первых, опреде лить принадлежность исследуемого пояса к одному из описанных выше типов и, во-вторых, при определенных условиях восстановить не только линию, но и направле ние перемещения блоков по сместителю.

Рис. III.7. Механизм формирования пояса трещинова тости в крыльях разлома (по [Данилович, 1961а]).

В целом было установлено, что максимумы в поя сах, как правило, удлинены вдоль их линий, то есть ха рактеризуются наличием преимущественных разбросов полюсов трещин, которые особенно отчетливо проявля надвига, крутого и пологого сбросов, левого и правого сдвигов.

ются на прямоугольных диаграммах. Однако направле ния асимметрии разбросов различны у поясов разного типа. Первые, как составленные из сопряженных направ терпретации массовых замеров хаотических трещинных сетей.

лений трещиноватости, в соответствии с исследованиями П.Н.Николаева [1977;

1992] имеют попарно противопо ложные разбросы у максимумов, отстоящих друг от дру га примерно на 90° (см. рис. III.9). Вторые характеризу ются однонаправленными разбросами (рис. III.10), по скольку здесь разворот части трещин, формирующихся на более ранних этапах, проявляется в существенно иных условиях, когда действие пластической компоненты оп ределяет одинаковое направление вращения для систем трещин, развивающихся в зоне разлома.

Таким образом, анализ поясов трещиноватости, рекомендуемый как дополнительный метод исследова ния разломов при спецкартировании, состоит в их вы делении на диаграммах, изучении разбросов у макси мумов, разделении поясов на типы и последующей раз дельной обработке. Пояса первого типа анализируются на базе методики М.В. Гзовского с итоговой инфор мацией о поле напряжений и закономерностях эволюции Рис. III.8. Выделе ние пояса (I) и решение о положении линии сколь жения (II) по методу В.Н.

Даниловича для разломов разного морфогенетиче ского типа: левый взбро со-сдвиг или правый сбро со-сдвиг (А);

взброс или сброс (Б);

правый или ле вый сдвиг (В).

1 – положение на круговой диаграмме состав ляющих пояс максимумов (а), а также максимумов, со ответствующих оси пояса (б) и плоскости разлома (в);

2 – положение пояса;

3 – поло жение плоскости разлома и линии скольжения с возмож ными вариантами направле ния движения.

опережающих разрывов, составляющих разломную зону. Пояса второго типа, образо ванные оперяющими трещинами, служат основой для реализации метода В.Н. Дани ловича с восстановлением линии скольжения по сместителю. Поскольку в последнем случае однонаправленный разброс совпадает с направлением тектонического транс порта вещества в разломной зоне, завершающим этапом анализа является реконст рукция этого направления скольжения путем несложных графических построений (см. рис. III.10).

Рис. III.9. Круговая (А) и прямоугольная (Б) структурные диаграммы (50 замеров;

уровни изолиний 0.5 - 2.5 -...- 6.5%), иллюстрирующие строение в одном из коренных выходов пояса трещиноватости первого типа, а также схема (В) специфики образования (на примере данной точки наблюдения) подобных поясов при сочетании троек-систем трещин, одна из которых свя зана с возникновением в сдвиговой зоне R’-сколов (максимумы 4, 2, 1), а вторая – R-сколов (мак симумы 5, 3, 1).

Штрихами показана линия пояса, односторонними стрелками – направления движений блоков по разрывам 2-го порядка и зоне в целом, а двусторонними – направления преимущественного разброса в об разующих пояс максимумах.

Рис. III.10. Круговая (А) и прямоугольная (Б) структурные диаграммы (100 замеров;

уровни изолиний 0.5 - 1.5 -... - 8.5%), иллюстрирующие строение в одном из коренных выходов пояса трещиноватости второго типа вблизи зоны пологого сместителя в юрских отложениях г.

Иркутска.

Штрихами показана линия пояса, стрелками - направления вращения трещин в зоне сместителя и направления преимущественного разброса в образующих пояс максимумах.

Модернизированный метод поясов использовался при спецкартировании от дельных регионов Иркутского амфитеатра, причем информация о направлениях скольжения по поверхностям послойных срывов и пологих надвигов имела первосте пенное значение для выявления достаточно сложного стиля деформаций юрских по род осадочного чехла.

* * * Методические разработки, связанные с парагенетическим анализом трещин ных сетей, обеспечивают возможность получения при спецкартировании дополни тельной информации о разломных зонах при отсутствии в коренных выходах необхо димых данных о сместителе и его морфогенетическом типе. Методы дополняют друг друга, поскольку анализ хаотических трещинных сетей направлен на исследование закономерностей формирования структуры разломной зоны до возникновения маги стрального сместителя, а анализ поясов вращения, – главным образом на выяснение специфики перемещений блоков по его достаточно хорошо сформированной поверх ности.

III.1.2.3. Опыт картирования разрывной структуры в разнотипных горных породах Представленные выше методические подходы к исследованию структуры яви лись результатом опыта спецкартирования в регионах, сложенных разнотипными горными породами. В ходе работ неизбежно приходилось решать проблему влияния специфики структурно-механических свойств горных пород на закономерности раз рывообразования в пределах разломных зон. Методический опыт этих исследований составил основу для написания данного раздела.

Особенности спецкартирования в разнотипных горных породах. Прежде всего, следует отметить, что такой вид исследований, как картирование, в существен ной степени застрахован от ошибок, которые при изучении структуры могут возни кать за счет вещественных неоднородностей. Последние относительно легко выявля ются при сравнении особенностей трещинных сетей в серии сближенных коренных выходов. Этому же способствует массовый характер наблюдений, положенный в ос нову спецкартирования. Кроме того, последующее построение диаграмм трещинова тости, на которых фигурируют относительные плотностные характеристики разрыв ных систем, позволяет при сопоставлении трещинных сетей с разных коренных вы ходов максимально снизить влияние различий в прочностных характеристиках де формируемых горных пород.

Существенное уменьшение ошибок при интерпретации данных спецкартиро вания может быть достигнуто за счет его проведения опытным специалистом струк турного профиля, так как сбор статистической информации следует сопровождать квалифицированной характеристикой особенностей документируемого коренного выхода. Большинство элементов такой характеристики должно быть направлено на учет влияния структурно-вещественных неоднородностей при трещинообразовании.

Прежде всего, документируются особенности составляющих коренной выход горных пород. Целенаправленное изучение трещиноватости необходимо проводить раздель но в каждой их разновидности, причем массовые замеры нецелесообразны в мелких прослоях, дайках, жилах, если это не входит в задачи исследования. Тоже относится и к участкам развития явно выраженной нетектонической трещиноватости, обычными признаками которой является изогнутость и шероховатость плоскостей, бессистем ность и т. п. Кроме того, общая оценка коренного выхода должна отражать степень влияния гипергенных процессов на состояние трещиноватости. Анализ разрывных сетей на основе сравнения диаграмм трещиноватости в большинстве случаев предо храняет от связанных с гипергенным фактором ошибок, так как при выходе на зем ную поверхность меняется лишь густота трещин в уже существующих системах. Од нако это может быть не характерно для разрывов, параллельных экспозиции обнаже ния, что и необходимо фиксировать при документации. Решение о степени влияния данного фактора, как и для вещественных неоднородностей, окончательно принима ется после сравнения диаграмм с располагающихся рядом точек наблюдения. При ус тановлении «аномальности» полученной в рассматриваемом коренном выходе ин формации, она может быть исключена из дальнейшего рассмотрения или использова на с низкой степенью достоверности после корректировки в соответствии со сделан ными в поле наблюдениями.

Спецкартирование, выполненное с учетом перечисленных правил, может ус пешно проводиться во всех типах горных пород, нарушенных трещинами. Однако в зависимости от происхождения последних и типа породы степень его сложности бу дет различной как на стадии сбора и обработки полевой информации, так и при ее интерпретации. Поскольку наибольшие трудности связаны с проведением исследова ний по выявлению разломно-блоковой структуры регионов, именно их, прежде всего, и касаются данные ниже рекомендации по проведению спецкартирования.

Главной информацией, позволяющей решить вопрос о происхождении тре щинных сетей в разнотипых породах картируемого региона, являются массовые за меры трещин. Они анализируются на предмет сходства-различия для располагаю щихся рядом коренных выходов, представленных различными по типу и (или) воз расту горными породами. В подавляющем большинстве случаев такое сопоставление приводит к однозначному выводу о природе трещинных сетей.

Опыт наших исследований в регионах с разной степенью тектонической ак тивности, а также анализ литературных данных показали [Семинский, 2003], что сис темные трещинные сети в подавляющем большинстве случаев свидетельствуют о на правленном внешнем воздействии на горную породу независимо от ее типа и возрас та. Так, первичные трещины осадочных и магматических пород часто образуют чет кие системы, поскольку вызывающие их формирование внутренние напряжения чаще всего проявляются на фоне действия тектонических сил, которые, если даже (ввиду слабой интенсивности) и не играют определяющей роли при возникновении трещин ной сети, то оказывают решающее воздействие на ее организацию. Как следствие этого, тройки взаимно перпендикулярных систем, обычно составляющие основу тре щинных сетей в интрузивах, лавовых потоках или осадочных породах, могут служить основанием для получения информации о существовавших при их образовании тек тонических напряжениях.

В принципе тоже относится и к породам, отличающимся по возрасту формиро вания. Поскольку очевидно, что весь предложенный выше комплекс работ по спец картированию может применяться в разновозрастных породах скального типа, ниже следует остановиться на тех особенностях проявления деформаций и эффективных приемах их изучения, которые относятся к слабосцементированным и рыхлым обра зованиям наиболее молодого возраста.

Специфика проявления деформаций в слабосцементированных и рыхлых отложениях. Изучение тектонических деформаций в кайнозойских отложениях име ет принципиальное значение для точной временной привязки движений по активным разломам и оценки интенсивности связанных с ними землетрясений. В то же время породы кайнозоя характеризуются различной степенью литификации, что во многом определяет особенности проявления и типы деформаций в их пределах. Как известно, среди кайнозойских пород преобладают слаболитифицированные и рыхлые отложе ния. Их физико-механические свойства таковы, что в большинстве случаев следы тектонических движений быстро затушевываются в результате воздействия экзоген ных процессов. Это в совокупности с внешним подобием формы проявлений текто нических и экзогенных разрывных деформаций является причиной того, что боль шинство исследователей исключает участки распространения кайнозойских отложе ний из активного тектонического анализа. Наши многолетние исследования, а также литературные данные позволили установить серию важных закономерностей прояв ления тектонических деформаций в кайнозойских отложениях, опыт исследования которых может существенно повысить информативность картирования структуры многих регионов.

Анализ накопленного фактического материала свидетельствует, что в рыхлых и слабосцементированных отложениях встречаются следующие виды деформацион ных структур: разрывные (трещины, нарушения со смещениями и т. д.), следы сколь жения и соударения, разнообразные формы пластических деформаций (складки, сейсмогенные конволюции и т. д.). Особенности проявления разных видов тектони ческих деформаций существенно зависят от гранулометрического состава исследуе мых отложений.

Р а з р ы в н ы е д е ф о р м а ц и и. Тектоническая трещиноватость и мелкие разрывные нарушения развиваются во всех рыхлых и слабосцементированных обра зованиях, независимо от гранулометрического состава, однако их характеристика в научной литературе по описанным выше причинам приводится крайне редко. Вместе с тем, несмотря на трудности поиска и идентификации тектонических трещин в от ложениях рассматриваемого типа, их изучение необходимо, поскольку в условиях за крытых территорий (платформы и осадочные бассейны) подобную информацию по скальным породам можно получить только в результате дорогостоящих горных ра бот.



Pages:     | 1 |   ...   | 3 | 4 || 6 | 7 |   ...   | 10 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.