Введение к работе
„ ..
\д.эд Актуальность проблемы. Для гарантированного удовлатворзния '-ртраетущих потребностей народного хозяйства в минаральном сырье нообходшо опережающее развитие минерально-сырьевой базы страны. В числе возникающих в связи с этим задач одной из важнейших для Уральского региона ставится поиск критериев для обнаружения глу-бокозалегающих месторождений и прогноз горно-геологических условий добычи полезных ископаемых на больших глубинах. Исходные данные для аз решания, по-видимому, могут быть получаны в результата изучения состава, строения, истории развития я механизма формирования литосферы и связанных с ними закономерностей разметания полезных ископаемых. Актуальность рассматриваемой задачи отмечена академиком Б.С.Соколовым, который, опираясь на Директивы ХХУІІ съезда КПСС, в отчетном доклада Общему собранию ОГП'ГН АН СССР (17 марта I98S г.) указал на то, что "... изучение закономерностей строения земной кора и.размещения в ней полезных ископаемых - проблзма, сформулированная 30 лат тому назад Н.С.Шат-ским и единая для Мингео и АН СССР, должна оставаться в центре нашего внимания" /Б.С.Соколов. Геологические науки: некоторые итоги., Изв. АН СССР, сэр.геол., 1986, №12, о.12-29/.
Паль работы. Выяснить возможности и разработать метод определения по скоростям распространения продольных и поперечных воля состава земной коры и верхней мантии; выполнить петрологическую интерпретации геофизических данных и на основе структурно-петрологических моделей исследовать динамические условия формирования оснозных структур Урала.
Задачи исследований, решить которые оказалось необходимым для достижения поставланяой цели, можно сформулировать следующим образом:
-
Определить основное направление исследований и выработать принципа построения гаолого-геофизических моделей как средства познания структуры, состава и механизма формирования земной коры Урала.
-
Разработать методику расчета скоростей распространения продольных и поперечных воля в горных породах по химическому составу и иосладовать влияние на их упругие овойства пористости, тращиноватости, влагонасншеяия, давления и температуры. .
-
Исследовать возможность повышения точности определения состава и оцанки'значений плотности и пористости горных пород в земной коре при совместном использовании данных о скоростях распространения в ней продольных и поперечных волн.
-
Разработать методику и осуществить переход от моделей,. характеризующих распределение скоростей продольных волн в земной коре Урала, к соответствующим им петрологическим моделям.
-
Выполнить обобщение и анализ гволого-геофизических данных о строении крупнейших структуряо-формационных зон Урала и о помощью фотоупругих моделей, имитирующих распределение в них упругих напряжений, обусловленных действием тектонических сил, исследовать возможный механизм формирования этих структур.
-
Посредством измерения в горных выработках и моделирования на оптически-активных средах исследовать современное напря-геякоа состояние земной коры Урала и его связь с динамическим влиянием Уфимского выступа Восточно-Европейской платформы.
-
Исследовать закономерности расположения разломов (линеа-ментов), их связь с динамическими условиями формирования земной коры я обусловленные ими особенности размещения месторождений полезных ископаемых в Уральском регионе.
Основные защищаемые положения.
-
Метод определения упругих свойств горных пород по их химическому составу и способ оценки значений плотности, пористости и содержания кремнезема в силикатах по скоростям распространения продольных и поперечных волн, позволившие разработать новый количественный подход к петрологической интерпретации данных сейсмометрии.
-
Разработанные на основа данных о скоростях распространения продольных л поперечных волн петрологические модели-земной коры я верхней мантии Урала" и структурно-петрологичаская модель Тагильского прогиба, позволяющие исследовать динамические условия его формирования.
-
Га о динамическая модель формирования современной структуры земной коры Среднего Урала, отражающая роль горизонтальных тектонических сил, и сформулированный на ее основе вывод о природа поясового размещения месторождений полезных ископаемых в Уральском региона.
Научная новизна. Впервые разработана методика расчета упругих характеристик горных пород по их химическому составу, вычислены скорости распространения в них продольных и поперечных волн и на основе полученных результатов выполнен анализ зависимости указанных кинематических параметров силикатов от содержания Sc-Oj ,М(} О и т.д. JS от плотности.
Показана возможность повышения точности определения состава и плотности горных пород посредством совместного использования значений скоростей продольных и попаренных волн и до экспериментальный данным установлены корреляционные зависимости, позволяющие определять плотность и вероятный состав земной кори и мантии по результатам сейсмических наблюдений. Выполнен анализ влияния пористости на упругие сзойства горных пород и построена номограмма для приближенной оценки значений бе в горных породах в земной коре по материалам сейсмометрии.
На моделях трещиновато-пористых сред исследована зависи- -мость скоростей распространения продольных и поперечных волн от давления и температуры и разработана методика учета их влияния при определении плотности упаковки атомов в горных породах по сейсмическим данным. По значениям скоростей распространения продольных и поперечных воля выполнено построение петрологических моделей земной коры и верхней мантии и структурно-петрологической модели Тагильского прогиба на Среднем Урале.
Впервые по совокупности геолого-геофизических данных, результатов инструментального изучения напряженного состояния горных пород и моделирования распределения напряжений в фотоупругих моделях, имитирующих зоны поднятий и прогибов, исследованы динамические условия формирования Урала и показано, что современная структура его во многом обусловлена действием горизонтальных сжимающих сил, причем с указанными динамическими условиями тектогеняза овязано формирование геометрически упорядоченной системы разломов (линаамантов) и как следствие ее - поясо-воа размещение месторождений полезных ископаемых в Уральском регионе.
Практическая ценность работы. Выявленные на оонове расчс -« них и экспериментальных данных корреляционные зависимости скоростей распространения продольных и поперечных воля от состава, плотности и пористости позволяют при комплексном использовании
обоих кинематических параметров более точно, чем по любому одному из них, определять перечисленные характеристики горных пород в условиях естественного залегания и создают реальные предпосылки повышения информативности и эффективности сейсморазведки и комплекоирования ее с гравиметрией при изучении строения земной коры и поисках полезных ископаемых.
Предложенный в работе подход к интерпретации геолого-геофизических данных, сочетающий построение структурно-петрологической модели изучаемого объекта и анализ динамических условий и механизма его формирования, уменьшает неоднозначность решения обратной задачи геофизики и может быть использован в практике исследования земной коры геофизическими методами.
Результаты изучения современного напряженного состояния земной коры Урала дают исходные сведения, необходимые для решения задач управления горным давлением с целью обеспечения наиболее безопасных и экономически эффективных условий добычи полезных ископаемых, а также для прогнозной оценки сейсмической опасности в зонах предполагаемого строительства атомных электростанций и других крупных промышленных объектов в Уральском регионе.
Реализация результатов работы. В настоящее время разработанный в результате проведенных исследований подход петрологической интерпретации материалов'сейсмометрии, заключающийся в совместном использовании данных о скоростях распространения продольных и поперечных волн, применяется при изучении строения земной коры Урала. По значениям скоростей Р- и S -волн выполняется определение плотности горних пород в земной коре. .
Оценка значений плотности и пористости горных пород и содержания в них кремнезема осуществляется лабораторией сейсмометрии (ИГ УрО АН СССР). В частности, установленные по расчетным и экспериментальным данным корреляционные зависимости скоростей Р~и S-воля от плотности использована при построении прогнозного разреза земной коры, в районе бурения Уральской сверхглубокой сквакины. Результата исследования динамичеоких условий новейшего и современного тектогенеза и особенностей расположения эпицентров землетрясений в зоне концентраций скалывающих напряжений, обусловленной влиянием Уфимского выступа Русской платформы, использовались при прогнозной оценке сейсмической опасности площадки Белоярской АЭС.
Результаты изучения современного напряженного состояния горных пород в земной коры Урала и, в частности, вывод о том, что в уральских рудниках оно определяется не только весом налагающих сверху толщ, но и горизонтальными тектоническими силами,исполь- . зуются при разработка способов оденки и прогноза.устойчивости выработанных в процессе добычи полезных ископаемых пространств и методов управления горным давлением.
Апробация работы. Основные результаты работы были доложены на Первой Уральской сессия Научного совета по комплексным исследованиям земной коры и верхней мантии (Свердловск, 1966); расширенном Пленуме Междуведомственной комиссии по геоморфологии и новейшей тектонике Урала и Поволжья (Уфа, 1970), Втором Казагстан-ском петрографическом совещании (КЕалхаш, 1974); ІУ Всесоюзном совещании по физическим свойствам горных пород и минералов при высоких давлениях и температурах (Тбилиси, 1974); ХУІ Генеральной Ассамблее Международного союза геодезии, геофизики, геологии (Гренобль, 1975); Всесоюзном совещании до геофизическим исследованиям при крупномасштабном картировании и прогнозировании месторождений (Ленинград, 1976); ХХУ Международном геологическом конгрессе (Мельбурн, 1976), Научно-техническом совещании по созданию и перспективам развития гаолого-геофизических полигонов (Ленинград, 1977); УП Всесоюзном совещании по изучению современных движений земной коры (Львов, 1977); УІ Всесоюзной конференции по механика горных пород (Фрунзе, 1978); Всесоюзной научной конференции по проблемам развития производительных сил Урала на перспективу до 1990-2000 г. (Свердловск, 1979); Заседании выезд» ной экспортной комиссии Секции геофизики научно-технического оо-вета Мингео РСФСР (пос.Заречный, Свердл.обл., 1979); Пятом Все-, союзном вулканологическом совещании (Тбилиси, 1980); IX Всесоюзной научно-технической геофизической'кодфереяции (Красноярск, 1980); УІ Всесоюзном совещании по исследованиям физических свойств горных пород при высоких давлениях для задач сейсмологии (Ташкент, 1981); Всесоюзном совещании по разработке и комп-даксйрованию геофизических методов при детальной и эксплуатационной разведка рудных месторождений (Ленинакан, 1982); ХХУЛ ?*зж-дународном геологическом конгресса (Москва, 1984); Первой ї^ль-ской металлогенической конференций (Свердловск, 1985); УП Всесоюзном совещании по исследованию физических свойств горных по-
род при високих давлениях и температурах (Ереван, 1985).
Использованный фактический материал и личный вклад автора. Сложность геологического строения Урала, диалектическая взаимосвязь его структуры, механизма формирования, состава слагающих земную кору и верхнюю мантию горных пород и термодинамических условий их современного существования определили соответствующий выбор комплекса материалов и средств исследования.
При изучении уеругих свойств горных пород и их зависимости от химического и минерального состава, пористости, трещшюватос-ти, давления и температуры использовались результаты расчетов, выполненных автором по разработанной им методике. Проверка этих результатов и уточнение коэффициентов в корреляционных формулах для оценки значении плотности и содержания кремнезема по скоростям продольных и поперечных волн осуществлялись на основа экспериментальных материалов, опубликованных различными исследователями, а также данных измерений,выполненных Н.И.Ндмзоровдм (ИГ УрО АН СССР).
Для определения вероятного состава земной коры и верхней мантяи использовались опубликованные материалы ГСЗ и результаты геотермических исследований, а также данные лаборатории сейсмометрии (ИГ УрО АЕ СССР), на основе которых при непосредственном участии'автора построена структурно-дбтрологическая модель Тагильского прогиба на Среднем Урале.
Для изучения динамических условие тектогенеза и выяснения механизма формирования современной структуры земной коры Урала использованы опубликованные геолого-геофизическиа материалы по тектонике ее верхней части и глубинному строению, новейшим и современным, движениям, а также результаты моделирования и инструментальных исследований ее напряжзняого оостояния, выполнанннх по инициатива и при непосредственном участии автора.
Для.исследования дизъюнктивной нарушенности земной коры, динамических условий образования разломов и влияния их на размещение месторокданий полезных ископаемых использована карта расположения линеамантов, составленная С.И.Стрельниковым (ВСВГЕИ).
В опубликованных по тема диссертации работах автору принадлежит идея,выбор направления исследований, инициатива и непосредственное участие в их выполнении, включая, за редким исключением, написания текста.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения, содернит 290 страниц машинописного текста, 100 рисунков, 42 таблицы и текстовое приложение.