Геомеханический анализ формирования геологических аномалий в осадочном чехле Федосеев, Антон Кимович

Введение к работе

Актуальность проблемы:

Неоднородное строение осадочного чехла (наличие зон трещиноватости, участков пониженной прочности, областей структурных и вещественных изменений) в значительной мере обусловлено геомеханическими процессами, связанными с деформированием породных толщ при осадконакоплении, тектоническими движениями, развитием полостей и другими видами механических воздействий. Их реализация происходила на различных этапах геологической истории в разной форме и оставила свой «отпечаток» в современном строении осадочных толщ. Несмотря на сложность проблемы и неоднозначность ее параметрического обеспечения, применение аппарата математического моделирования изменения напряженно-деформированного состояния (НДС) осадочных толщ открывает перспективу выявления взаимосвязи пространственного распределения природно-нарушенных зон с палеогеомеханическими процессами.

Задача локализации аномалий геологического строения имеет не только самостоятельное фундаментальное значение, но и является крайне важной для теории и практики освоения георесурсов и обеспечения сохранности наземных сооружений.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с планами научных исследований Горного института УрО РАН по госбюджетным темам «Исследование процессов деформирования и разрушения конструктивных элементов систем разработки месторождений полезных ископаемых» (№ гос. рег. 01200112855) и «Геомеханическое обеспечение высокоэффективного и безопасного освоения месторождений водорастворимых руд в зонах градопромышленных агломераций» (№ гос. рег. 01200955521); по программе фундаментальных исследований Президиума РАН «Фундаментальные проблемы механики взаимодействий в технических и природных системах (проект «Деформирование и разрушение крупномасштабных горнотехнических объектов»); по программе Отделения наук о Земле РАН «Крупные и суперкрупные месторождения стратегических видов минерального сырья: геологические особенности, условия формирования, фундаментальные проблемы комплексного освоения и глубокой переработки» (проект «Освоение углеводородного сырья и минерального комплекса уникального Верхнекамского месторождения»); по грантам РФФИ: №00-05-65330 («Деформирование и разрушение осадочных толщ в процессе их формирования и техногенного воздействия»), №06-05-64204 («Математическое моделирование процессов осадконакопления») и №09-05-99031 («Геомеханическая оценка негативного воздействия карстовых процессов на урбанизированные территории»).

Цель работы – разработка теоретических основ геомеханической оценки условий формирования аномалий геологического строения осадочных толщ, осложняющих ведение горных работ и функционирование наземных инженерных сооружений.

Идея работы – применение методов математического моделирования для оценки изменения состояния осадочного массива в процессе геологических преобразований.

Задачи исследований:

1. Выполнить анализ и обобщение геологической и геофизической информации, связанной с аномальными природными объектами осадочного разреза, представляющими потенциальную опасность для ведения горных работ и функционирования наземных инженерных сооружений.

2. Построить математическую модель формирования геологических аномалий осадочного чехла.

3. Разработать параметрическое обеспечение ретроспективных геологических моделей.

4. Выполнить многовариантное численное моделирование изменения НДС геологических аномалий осадочного чехла в процессе их формирования и развития.

5. На основе критериальных подходов оценить влияние факторов, определяющих формирование аномальных геологических объектов в осадочном чехле.

6. Установить взаимосвязи пространственного распределения природно-нарушенных зон осадочного чехла с палеогеомеханическими процессами.

Методы исследований включали анализ и обобщение геологических и геофизических данных, применение аппарата механики сплошных сред, использование алгоритмов и процедур численных методов математического моделирования.

Основные научные положения, выносимые на защиту

1. Методами математического моделирования установлено, что наличие в нижних этажах осадочного чехла неоднородностей в виде рифогенных образований создает предпосылки к формированию в верхней части осадочных отложений природно-ослабленных зон, интенсивность которых обусловлена комплексом следующих основных факторов:

изменением градиента роста механических параметров пород осадочного чехла;

значением современных средних механических свойств осадочных пород;

геометрическими характеристиками рифа;

наличием в осадочной толще пластов с пониженными по сравнению с вмещающими породами механическими свойствами;

взаимным расположением рифов различных формаций.

2. В рамках геомеханического анализа показано, что структурная поверхность соляной толщи формируется под действием гравитационных процессов, связанных с давлением вышележащих надсолевых отложений, которые обусловливают неоднородность поля напряжений и создают предпосылки к образованию субвертикальных трещин. На всех этапах формирования осадочной толщи зоны потенциальной опасности существования субвертикальных трещин сдвига связаны с мульдовыми частями прогибов и со склонами куполов, а трещины отрыва могут охватывать и отдельные купола соляной залежи.

3. На основе критериев обрушения пород кровли построена модель карстовой полости, отражающая упруго-пластический характер деформирования карстующихся пород и учитывающая изменение ее формы в процессе роста. С использованием критерия потери устойчивости карстовой полости определены три возможных сценария образования карстовых провалов, охватывающих весь спектр размеров карстовых воронок: обрушение в краевой части, высыпание пород в центральной части и полное обрушение кровли полости.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается использованием объективной геомеханической и геофизической информации; корректным применением аппарата механики твердого деформируемого тела; качественным соответствием результатов, полученных при математическом моделировании, наблюдаемым осложнениям в осадочном чехле.

Научная новизна работы

1. На основе методов механики растущего тела построена математическая модель формирования осадочного чехла.

2. Сформулированы подходы к количественному параметрическому обеспечению ретроспективных математических моделей формирования осадочного чехла, основанные на предположении, что, в отсутствие на постседиментационной стадии значительного перемещения осадочного материала, нагрузку, действующую на произвольные элементы геологического разреза, можно задать исходя из их современных плотностных свойств и мощностей.

3. Методами математического моделирования показано, что гравитационные процессы определяют общий структурный план соляной толщи и пространственное распределение в ней неоднородностей поля напряжений.

4. Предложен критерий обрушения пород в окрестности карстовой полости, учитывающий пространственное положение зон действия растягивающих напряжений и локализации пластических деформаций.

Практическая значимость

4. 1. 1. 1. 1. 1. 1. Выполнен прогноз аномальных разрезов соляной толщи Верхнекамского месторождения калийных солей (ВКМКС), возможных над рифогенными образованиями девонского возраста, представляющий основу для проведения детальных геолого-геофизических исследований особенностей ее строения.

                  2. Построена схема районирования центральной части ВКМКС по опасности формирования в соляном массиве природных трещин субвертикальной ориентации.

                  3. Предложена методика прогнозирования возможных размеров провалов на земной поверхности в зависимости от условий залегания карстующихся сульфатных пород на территории Пермского края.

                  Реализация работы:

                  1. Выводы и рекомендации, связанные с аномалиями строения соляной толщи над рифогенными образованиями и наличием зон, в которых возможно формирование субвертикальных трещин, используются геологической службой ОАО «Уралкалий» при постановке детальных геолого-геофизических работ с последующей их геомеханической интерпретацией, направленной на оценку безопасных условий подработки водозащитной толщи.

                  2. Подходы к исследованию механизмов образования карстовых провалов на земной поверхности включены в комплексную методику оценки потенциальной опасности погребенного карста для урбанизированных территорий («Методические рекомендации по проведению инженерно-геологических изысканий на карстоопасных территориях (на примере Пермского края)», Москва, 2009 г.).

                  Апробация работы: Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на Восьмом Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике (Пермь, 2001 г.), Международной конференции «Моделирование стратегии и процессов освоения георесурсов» (Волгоград-Пермь, 2001 г.), Международной конференции «Напряженное состояние породного массива и наведенная геодинамика недр» (Бишкек, Киргизия, 2006 г.), конференции «Геодинамика и напряженное состояние недр Земли» (Новосибирск, 2009 г.), международных конференциях «Неделя горняка - 2008» и «Неделя горняка - 20011» (г. Москва), межрегиональной научной конференции «Геомеханика в горном деле» (Екатеринбург, 2009 г), научных сессиях и семинарах Горного института УрО РАН (Пермь, 2000 – 2011 гг.).

                  Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 14 работ, из них 5 в изданиях, рекомендованных ВАК.

                  Объем работы и ее структура. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения; содержит 114 страниц машинописного теста, включая 55 рисунков, 1 таблицу и список использованной литературы из 111 наименований.

                  Автор выражает глубокую признательность и благодарность за помощь в работе сотрудникам лабораторий механики горных пород, физических проблем освоения георесурсов, активной сейсмоакустики и геологии месторождений полезных ископаемых Горного института УрО РАН.

                  Похожие диссертации на Геомеханический анализ формирования геологических аномалий в осадочном чехле

                  

                  Структурно-гидрогеологический анализ и физико-химическое моделирование процессов формирования подземных вод района Северо-Муйского тоннеля БАМДанилова Мария Александровна

                  

                  Поведение радионуклидов в процессах формирования осадков озера Иссык-Куль по данным физических методов анализа Мельгунов Михаил Сергеевич

                  Строение и условия формирования верхнемеловых вулканогенно-кремнистых отложений Олюторского района (на основе радиоляриевого анализа)Палечек, Татьяна Николаевна

                  

                  Условия формирования и прогноз зон развития коллекторов в продуктивных юрских комплексах южной части Западно-Сибирской нефтегазоносной провинции на основе комплексирования данных метода общей глубинной точки с результатами литофациального анализаШиманский, Сергей Владимирович

                  

                  Формирование изотопных аномалий в минералах как результат возникновения стационарных состояний в рядах -распада продуктов деленияПухов Валерий Викторович

                  

                  Анализ формирования денежных потоков и управление ими в сельскохозяйственных организацияхЧистяков Николай Владимирович

                  

                  Анализ формирования и использования активов предприятий (На примере агротехнических предприятий Республики Бурятия) Бадмаева Дина Гомбоевна

                  

                  Теоретический анализ формирования концентрационных профилей ионов в металлических материалах при воздействии пучками вакуумно-дуговых источниковМельникова, Татьяна Сергеевна

                  

                  Сравнительный анализ формирования ценностных ориентаций детей старшего дошкольного возраста с нарушениями речевого развитияАверьянова, Елена Владимировна

                  Синергические системы в многокомпонентных эластомерных материалах: идентификация, анализ, формированиеНаумова, Юлия Анатольевна