книги из ГПНТБ / Вопросы общей и теоретической тектоники [сборник]

крупных водохранилищ, разработкой карьеров большого объе­ ма или нагрузками от концентрированной городской застрой­

ки.

Как известно, заполнение крупных водохранилищ приво­ дит" нередко к возникновению сейсмической активности пли повышению ее уровня. Эго связывают с изменением режима блоковых движений земной коры в районе водохранилища, Необходимым элементом исследования механизма воздействия искусственных статических нагрузок иа природные блоковые системы является картирование нагрузок, приложен­ ных к отдельным структурам, и учет изменений, происходя­ щих в динамике блоковых систем. Таким путем могут соз­ даваться результирующие инженерно-тектонические карты, анализ которых с развитием представления о механизме ста­ тического воздействия па блоковые структуры, дает возмож­ ность перейти к составлению прогнозных карт на объектах со сходными тектоническими условиями.

Процессы, происходящие при техногенных разгрузках в районах карьеров или нагрузках в местах концентрированной застройки, отличаются, по-видимому, лишь меньшим разма­ хом и относительной замедленностью.

Изменения, вносимые в тектоническую обстановку извле­ чением из недр или закачкой в недра флюидов (гидростатиче­ ские нагрузки), распространены довольно широко. Общеиз­ вестны крупные проседания земной поверхности в местах ин­ тенсивной разработки нефти, газа или подземных вод. Состав­ ляемые для учета и прогноза этих явлений инженерно-текто­ нические карты должны включать показатели количества из­ влеченного из недр вещества за единицу времени, раздельно по геологическим структурам, слагающим месторождение, н изменения высотного положения поверхности Земли во вре­ мени (прогнозируемые и наблюденные).

Изменения положения и формы земной поверхности при закачке флюидов, а также сопутствующие этому сейсмиче­ ские явления пока изучены слабо (Teng et al., 1973). Тем не менее следует в очагах проявления этих техногенных процес­ сов наносить данные о количестве введенного в недра вещест­ ва на основу из тектонической карты и карты современных движений с тем, чтобы по мере накопления материала эти данные можно было использовать для составления прогноз­ ных инженерно-тектонических карт.

Техногенные динамические нагрузки, вызываемые мощны­ ми взрывами, как наземными, таки (в особенности) подземны­

181

ми, приводят к целому рйду тектонических последствий, сре­ ди которых важнейшие: образование депрессий, каверн и полостей в земной коре, зон дизъюнктивных нарушений, от крупных разрывов до микротрещиноватости, искусственные землетрясения. Не ясен пока вопрос о возможности возникно­ вения вызванных (инициированных) землетрясений и измене­ ний хода естественных блоковых движений.

Накопленный опыт проведения подземных ядерных взры­ вов (Нифонтов, Протопопов, 1965) показывает возможность прогнозирования некоторых тектонических последствий ядер­ ных взрывов, в частности, размеров депрессий и каверн в раз­ личных геологических условиях; искусственной сейсмичности, может быть искусственной трещиноватости (Мангушев; При­ ходько; 1968). Содержанием инженерно-тектонической карты для района техногенного динамического воздействия являют­ ся места приложения энергии и количество, отнесенное к кон­ кретным геологическим структурам, прогнозные и наблюденные изменения рельефа, дизъюнктивных нарушений, распределе­ ние изосейст, а при наличии материала также данные об из­ менении естественного режима современных движений земной коры этого района.

Первым этапом работы по инженерно-тектоническому кар­ тированию должна стать разработка макетов карт для раз­ личных видов техногенных воздействий и различных геологи­ ческих условий, сведенных к немногим наиболее распростра­ ненным их типам.

ядерных взрывов в нефтяной и газовой промышленности. М , «Недра»,

T e n g Т. L., Rea l С. R., H e n y l y Т. I. Microearth­ quakes and water flooding in Los Angelos 2 «Bull. Seismic Soc Amer.», 63, № 3 1973.

ВОПРОСЫ ОБЩЕЙ И ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ТЕКТОНИКИ

УДК 551.24.02(470.23+480)

А. В. ЖДАНОВ и Г. А. ДУНАЕВА

ВЫБОР ПОДОБИЯ ПРИ МОДЕЛИРОВАНИИ БЛОКОВЫХ ТЕХНОГЕННЫХ ТЕКТОНИЧЕСКИХ ДВИЖЕНИЙ

(на примере Выборгского массива рапакиви)

Натурное моделирование все шире внедряется в геологию, становясь одним из важнейших методов конкретного количест­ венного прогнозирования геологических процессов и явлений. Изучая кинематику техногенных блоковых движений, вызывае­ мых мощными динамическими нагрузками, следует иметь в виду, что непосредственный эксперимент на объекте исследо­ вания дал бы, возможно, более точные результаты. Однако прямые эксперименты не всегда технически осуществимы и экономически оправданы, что и заставляет прибегнуть к мо­

делированию.

Для этих целей использована экспериментальная площад­ ка, расположенная в пределах Выборгского массива гранитов рапакиви — удобным объектом для исследования по ряду при­ чин (однородный петрографический состав, простые условия залегания, закономерный характер трещин и разрывов, тесная

объекту прогноза (моделирование в собственном смысле сло­ ва); б) экспериментальное исследование модели; в) переход от модели к оригиналу, состоящий в перенесении полученных при исследовании результатов па этот объект. В данной рабо­ те мы коснемся лишь первого пункта указанной выше после­ довательности.

Для того, чтобы представить себе, насколько выбранная модель может отражать особенности реального гранитного

183

массива, было проведено изучение "блоковой структуры круп­ ного геологического тела, каким является Выборгский плутон. Блоки, из которых состоит Выборгский массив, мы клас­ сифицируем на три категории: «макроблоки», «мезоблоки»

и«микроблоки» (см. ст. А. В. Жданова в наст. со.). Экспериментальная площадка расположена в центре одно­

го из микроблоков и представляет собой ровный с почти сто­ процентной обнаженностью участок в гранитах рапакнви

экспериментальной площадкой, до глубины 5—7 м разбито на ряд миниатюрных «блоков-моделей», имеющих объем 250— 5000 м5; горная порода внутри отдельных блоков по своим ме­ ханическим свойствам очень однородна. Сравнивая выбран­ ную естественную модель (набор «блоков-моделей») с объек­ том исследования (совокупностью микроблоков), можно ус­ тановить для части свойств сопоставляемых объектов лишь ка­ чественное сходство, а для другой части, кроме того, н подобие (пропорциональные изменения).

Сходство части признаков определено геологическими ус­ ловиями на объектах и задачами моделирования. К таким признакам относятся: вещественный состав;; характер струк­ турно-петрографических связей и отношений; естественная природа дислокаций; элементы залегания; ориентировка тре­ щин; форма блоков; источник динамических нагрузок и т. д.

Что же касается подобия, то по определению «Подобными называются те геологические процессы, 'явления и образова­ ния, у которых сходство существенных, осредненных и обоб­ щенных качеств сопровождается приближенно пропорцио­ нальными изменениями этих качеств или их соотношений» (Розовский, 1969, стр. 40), причем количество сопоставляемых процессов, свойств и их существенных признаков предвари­ тельно ограничивается.

Подобие модели и объекта прогноза устанавливается путем сравнения определенных количественных критериев подобия, представляющих собой отношение двух одноименных харак­ теристик (реже отдельно взятую характеристику). Так, для данного случая моделирования полностью выполняется вре­ менное подобие: процессы, вызываемые динамическими на­ грузками взрывного характера, практически мгновенпы. Мно­ житель подобия в этом случае равен единице.

Подобие пространственных условий на натурной модели и объекте прогноза отображается критериями геометрического

184

подобия. Например, в качестве одного из критериев («крите­ рия удлиненности», К'г) взято отношение средне-максималь­ ного горизонтального измерения блока («длины») к средне­ минимальному горизонтальному его измерению («ширине»). Коэффициент от 1,00 до 1,20 характерен для 20“/» «блоков» на­ турной модели и 27°/о микроблоков; от 1,21 до 1,50 — соответ­ ственно 45°/о и 45,'/°; от 1,51 до 2,00 — 15“/» и 18%; свыше 2,00—■ 20°/о и 10%. Среднеарифметический К'г Для модели 1,63, для объекта прогноза — 1,51.

Подобным же образом сходны критерий К"г, выражающий отношение средне-максимального горизонтального измерения блока к его вертикальному измерению (2,6 для модели и 2,2 для объекта прогноза) , К'"г> критерий «непрямоугольное™» для случаев четырехугольных проекций блоков (отношение величины минимального угла блока к величине его макси­ мального угла) и др.

Л. Н. Седовым (1957) для процесса разрушения грунтов в результате точечного взрыва внутри массива был выведен сле­ дующий критерий, являющийся частным случаем универсаль­ ного критерия геодинамического подобия:

где Эвз. — энергия взрыва; hB3. — ускорение заряда от по­ верхности, pi — плотность грунта; g — ускорение силы тя­ жести.

Критерий (1) сохраняет свое значение и при моделирова­ нии блоковых движений, вызываемых приложением взрывных динамических нагрузок. Это соотношение позволяет с боль­ шой точностью рассчитывать мощность и глубину заложения заряда на модели или объекте прогноза.

Таким образом, в первом приближении «блоки-модели» вполне могут представлять собой группу реальных микробло­ ков в определенном масштабе (линейный масштаб в среднем 1:100, объемный в среднем 1:1000 000). Для моделирования мезоблоков и, тем более, макроблоков потребуются гораздо бо­ лее сложные системы.

185

ВОПРОСЫ ОБЩЕЙ И ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ТЕКТОНИКИ

УДК 551.243.5+248.2 (470.23 + 480)

А. В. ЖДАНОВ

О БЛОКОВОМ СТРОЕНИИ ВЫБОРГСКОГО МАССИВА РАПАКИВИ В СВЯЗИ С ПРОБЛЕМОЙ МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕХНОГЕННЫХ БЛОКОВЫХ ДВИЖЕНИЙ

ЗЕМНОЙ КОРЫ

Техногенные движения земной поверхности в последнее время стали объектом пристального внимания геологов. Лабо­ раторией техногенной тектоники Института тектоники и гео­ физики АН СССР начато исследование техногенных движений земной коры, вызываемых мощными динамическими нагруз­ ками. В качестве первого шага в этом направлении предпола­ гается разработать методику измерения кинематических ха­ рактеристик блоковых движений на небольшой модели в на­ турных условиях.

Для этих целей выбрана экспериментальная площадка, представляющая собой плоскую скалу размером около 17000 м2 на одном из полуостровов Финского залива. Площад­ ка находится в пределах Выборгского массива гранитов рапакиви. Для того, чтобы представить себе, насколько выбранная модель может отражать особенности реального гранитного массива, было проведено изучение блоковой структуры круп­ ного геологического тела — Выборгского плутона.

Граниты рапакиви — распространенный комплекс пород на Балтийском щите. Они образуют изолированные массивы (Салминский, Выборгский, Аландский и др.), приуроченные к южной и юго-восточной его окраине.

Крупнейший из них Выборгский массив (рис. 1) распола­ гается на территории двух государств — Финляндии (запад­ ная часть) и СССР (восточная, меньшая часть массива) и вхо­ дит в состав Восточно-Финляндской синклинорной зоны Ка­ рельского геотектонического района (Харитонов, 1958). Глу-

186

бинным разломом («Большой флексурой А. А. Полкапова») массив разделен на две части. Южная его половина скрыта под водами Финского залива и перекрыта фанерозойскнми от­ ложениями. По гравиметрическим данным Выборгский массив рапакиви распространяется под дном Финского залива вплоть до побережья Эстонской ССР, что подтверждается и результа­ тами опорного и разведочного бурения. Массив, включая под­ водную его часть, занимает площадь 40—45 тыс. км-’ (Андреев, 1958) и, таким образом, представляет собой геологическое те­ ло III порядка*. Площадь северной части, которая только и рассматривается нами, около 20000 км-. К Выборгскому мас­ сиву с севера через узкий перешеек примыкает массив Суо- меш-шеми, а близ него располагается небольшой массив Ахвенисто (Мянтюхарью).

Рапакиви представлены несколькими разновидностями гранитных пород (латшее-граинты, выборгиты, питерлиты и т. д.), образующими, как считается, отдельные плоские тела в пределах массива (Великославинский, 1953; Свириденко, 1965). По данным других исследователей (Левковский, 1970), Выборгский массив имеет концентрически зональное строение.

Еще И. Седерхольм указывал на два типа контактов гра­ нитов Выборгского массива с вмещающими породами. В боль­ шинстве случаев эти границы резкие, субвертикальные, прямо­ линейные и зигзагообразные, направленные поперек слоисто­ сти и сланцеватости вмещающих свекофенских гнейсов и миг­ матитов. Исследователь называет такие границы «контактами разлома» (Седерхольм, 1891, стр. 336). В то же время на от­ дельных участках рапакиви залегают субгоризонтально и рез­ ко несогласно на слюдяных гнейсах и мраморах» (стр. 337). Впоследствии наблюдения И. Седерхольма были неоднократно подтверждены (Wahl, 1925; Великославинский, 1953).

В общей структуре Балтийского щита Выборгский массив до сих пор рассматривался как обособленное геологическое тело плитообразной формы, характеризующееся относительно однородным и резко отличным от вмещающих пород составом, определенными физическими свойствами и специфическим ха­ рактером гравитационного поля. Специальные исследования Выборгского массива посвящены в основном петрографии и петрологии различных разновидностей слагающих его гранит­ ных пород. При этом изучению блоковой структуры массива

* Здесь и в дальнейшем порядки геологических; тел и структурных форм приводятся по Ю. А. Косыгину.

188

было уделено мало внимания; исследователи-петрографы ог­ раничивались попутными наблюдениями над трещинова­ тостью. Специальное же статистическое изучение трещинова­ тости (Баева, 1969; Щульц, 1969) посредством массовых заме­ ров залегания трещин проводилось как правило, без учета их классов и порядков.

Почти не исследованы блоковые движения земной коры в этом регионе, как крупных участков Выборгского массива, так и более мелких элементов его структуры.

Динамический аспект изучения блоковой структуры подра­ зумевает выявление тех ее элементов (блоков), которые об­ ладают определенными, отличными от смежных блоков, харак­ теристиками современных движений, под которыми подразу­ меваются прямолинейность или криволинейность движения в некоторый отрезок времени, направленность (линейное пере­ мещение под определенным углом к горизонту или вращение в определенную сторону) и скорость (линейная или угловая). Характер движения отдельных блоков может быть достаточно сложным, представляя собой сочетание вращательного движе­ ния (в одной или нескольких плоскостях) и поступательного перемещения. Во всех случаях. требуется устанавливать «не суммарную величину движений, которая является... статиче­ ской, а динамическую (кинематическую), отражающую ис­ тинный ход и энергию новейших (и современных — А. >КЛ тектонических движений» (Гуделис, 1964).

Однако определение динамической амплитуды наталки­ вается на значительные трудности, связанные с точностью и возможностями применяемых методов. Известно, что в осно­ ву изучения современных движений методом повторного ниве­ лирования положена гипотеза о постоянстве величины и знака скорости движений между датами исполнения пеового и пос­ леднего нивелирования, вошедших в обработку. Но, как заме­ тил Г. А. Желнин (1964), «если бы период колебательного движения земной поверхности равнялся 100 и больше годам, то различия в сроках нивелирования не особенно сказались бы на выводах значения годовых скоростей движения. Но, если период колебательного движения не превышает десяти лет. как думают некоторые авторы, то наши выводы будут далеки от истины. Если, кроме того, допустить, что отдельные блоки земной коры колеблются с различной амплитудой и различ­ ным периодом, то... выводы становятся вообще сомнительны­ ми».

189

Достоверность проведения изолиний современных движе­ ний зависит от густоты и площадного распределения точек оп­ ределения амплитуды и знака движений. Даже в Финляндии, где нивелирование наиболее высокоточно, а изолинии годовых скоростей современного поднятия суши проведены через 0,1 мм (Kaariainen, 1964), удается наметить лишь самые общие за­ кономерности дифференцированных движений по отдельным крупным блокам. И в этом случае графическое отображение характера современного поднятия оказывается схематизиро­ ванным, а движения по мелким блокам не находят выражения на этой схеме.

Что касается сейсмогенных движений, то они происходят быстро и неожиданно и скорость их, как правило, не измеряет­ ся. На территории Выборгского массива землетрясения отме­ чаются сравнительно редко, все они являются мелкофокусными и слабыми, поэтому величина дислокаций, вызванных эти­ ми землетрясениями, применяемыми в настоящее время мето­ дами, не была определена, хотя принципиальная возможность использования высокоточных повторных нивелировок для изу­ чения вертикальных микроперемещений в эпицентрах наибо­ лее сильных землетрясений несомненна.

Для регионального исследования современных тектониче­ ских движений, как медленных, так и самых быстрых, а также техногенных движений земной коры наиболее перспективными представляются методы лазерной геодезии, обеспечивающие непрерывность, высокую производительность и сверхвысокую точность измерений (Авдеенко и др., 1971). При этом сущест­ вует возможность не только измерять горизонтальные и верти­ кальные смещения, но и устанавливать вращательные движе­ ния. Но примеры практического применения этих методов для построения динамических схем участков земной коры пока неизвестны.

В настоящей статье блоковая структура Выборгского мас­ сива вынужденно рассматривается только в статическом ас­ пекте, за отсутствием достоверных сведений о его динамике. Статическая модель основана преимущественно на ретроспек­ тивных неотектонических построениях (т. е. расширенная ста­ тическая модель).

Общеизвестно, что Балтийский щит рассечен густой сетью разрывных нарушений различной протяженности, мощности и глубины заложения, а участки пространства, заключенные между этими нарушениями, представляют собой различного же порядка блоки. Очевидным считается и то, что по многим из

190