книги из ГПНТБ / Осипов М.А. Контракция гранитоидов и эндогенное минералообразование

Фиг. 39. Развитие сводообразных систем трещин и обрушение пород над горными выработками. Краевые окончания трещин образуют сгущения в боковых целиках. Наклон трещин меняется от более ранних, располо­ женных ближе к выработке и сильнее наклоненных в ее сторону, к бо­ лее поздним крутым.

а - Слесарев, 19482; б - Протодьяконов, 1933

этой кривой все частицы пород испытывают только сжатие (силы а) как реакцию на давление вышележащих пород (силы б ). Это и обус­ ловливает механическую устойчивость аркообразных структур. Наличие

свода напряжений неоднократно подтверждено экспериментально. Одним из наиболее ранних исследований является работа Ф.Ю. Левинсон Лессинга и К ,К . Зайцева (1915). Ниже кривой АБВ на породы активно действуют только силы тяжести (в), заставляющие эти породы обру­ шиваться. Если опоры (боковые целики) абсолютно жесткие, то такой однажды образовавшийся равновесный свод в дальнейшем деформировать­ ся не будет. При сравнительно небольших вертикальных размерах пус­ тоты выпадение пород может быть частичным. Это обусловлено тем, что обрушившиеся породы вследствие разрыхления будут занимать ка­ кой-то больший объем, чем в ествественном залегании, и смогут под­ держивать свод от окончательного выпадения или замедлить его (пос­ ле уплотнения рыхлого материала процесс продолжится до достижения равновесия).

Поскольку абсолютно жестких боковых опор, целиков не бывает, то при их осадке, раздавливании равновесие нарушается. В глубоких

выработках давление достигает значительных величин. Как результат его происходит стреляние жестких пород от боковых стенок и вспучи­ вание более мягких. При оседании боковых опор, вываливании их внутрь • выработанного пространства расширяется пролет выработки, и силы сжатия а перестают получать стабильную опору. Происходит новое об­ рушение пород, приводящее к образ ованию нового свода равновесия (кривая A j B j B j ). При продолжительном оседании опор, как и при пос­

происходит обрушение сводов, представляютсобой трещины отрыва, переходящие в боковых окончаниях в сколовые трещины с отрывом,

114

n° â^ r .

/

О к и сле н н о е рудное тело

Фиг. 40. Сводообразные трещины обрушения пород над выщелачиваемыми рудными телами в массивных известняках на значительной глубине

(Крейтер, 1960)

сходящиеся в опорных целиках выработок. Трещины возникают после­ довательно, по направлению от выработки. В соответствии с описанным механизмом наклон их меняется - ранние пологие и наклоненные в сторону выработанного пространства, поздние более крутые или даже в наименее связных породах, меняющие наклон на противоположный. На фиг. 39,а, б приведены примеры оседания пород над горными выра­

ботками. Аналогичный характер оседание пород имеет над любыми воз­ никающими на глубине пустотами, например, над выщелачиваемыми рудными телами (фиг. 40).

Выше свода обрушившихся пород располагается зона трещиноватости, над ней зона прогибания и, наконец, в самой верхней части массива, в ра­ диусе влияния выработанного пространства - зона упругих деформаций. При этом в процессе оседания фиксируются периоды медленного опус­ кания и моменты сравнительно резкого ускорения сдвижения пород.

Процессы оседания пород разной связности, разного строения не­ сколько отличаются Друг от друга в Деталях. Например, оседание го­ ризонтально слоистых пород над горными выработками начинается с прогибания отдельных слоев. Так как ближние к выработанному прост­ ранству слои прогибаются быстрей, то между ними и более высокорас­ положенными возникают субгоризонтальные замкнутые полости отслое­ ния. И только после этого происходит образование поперечных слоям трещин и обрушение массива. При образовании свода обрушившихся по­ род выше него располагается зона прогибания с полостями отслоения. Еще выше породы опускаются как единый связный слой (Канлыбаева, 1968).

б) Моделирование дислокаций в надинтрузивных толщах при терми­ ческом сокращении объема интрузавов .Теория горного давления и обруше­ ния пород, кроме наблюдений в выработках, основывается и на моде­ лирующих экспериментах. Обзор их можно найти у М .М .. Прото Дьяконова (1933). Им же проведены собственные оригинальные опыты по иссле­ дованию механизма обрушения горных пород в подземных выработках (1912, 1933). Все эти и более поздние опыты преследовали цели оп-

115

реаеления горного давления для обеспечения рационального ведения горных работ, конструкций и прочности крепления. Поэтому изучалось оседание пород над выработками после их проходки или в процессе продвижения забоя по горизонту. Закономерности оседания пород над выработками', забой которых движется вниз со скоростью, меньшей скорости оседания пород, не изучались. Но именно эти условия имеют место при термическом сокращении интрузивов и опускании их поверх­ ности. Интрузивы остывают и сокращаются в объеме десятки и сотни тысяч лет, а оседание пород, если судить по глубоким горным выра­ боткам, происходит обычно'в течение нескольких лет (Авершин, 1948). Поэтому нами были проделаны опыты, приближенно моделирующие осе­ дание поверхности интрузива и перекрывающих пород, в результате которых была получена принципиальная картина развития дислокаций в надинтрузивных толщах. Из условий подобия в проведенных опытах бы­ ли соблюдены следующие: 1) геометрическое подобие - отношение раз­ меров интрузива к мощности перекрывающих пород, форма поверхности интрузива, мощность и характер залегания слоев; 2) эквивалентность механических свойств материала, имитирующего перекрывающие интру­ зив породы. Его прочность на разрыв (по замерам усилий разрыва па­ лочек сечением 1,2 и 3 см^) составляла примерно 15-30 г/см2, что обеспечивало развитие в основном хрупких деформаций, характерных для верхней части земной коры и соответствовало свойствам эквивалетных материалов, предложенных М З.Гзовским (1960).

Для опытов использовалась установка, подобная тем, на которых обычно изучаются процессы сдвижения пород над горными выработками. Она представляла собой сварную конструкцию из трех кусков швеллера в виде перевернутой буквы П. Ее размеры - длина горизонтальной час­ ти 120 см, высота 80 см, ширина 16 см. В средней части на основа­ нии конструкции помещалась пачка досок, имитирующая наиболее час­ то встречающуюся куполообразную форму поверхности лакколитоподоб­ ных интрузивов гранитоидов. Остальное пространство заполнялось грун­ том горизонтальными слоями мощностью 1-3 см . При заполнении кон­ струкция одевалась опалубкой из досок. Грунт составлялся из песка (размер зерен 0,5-2,5 мм) и алебастра в пропорции примерно 5/1 по объему, замешивался на воде и укладывался с трамбованием. Каждый слой посыпался небольшим количеством мелколистной слюды. Отдель­ ные слои для наглядности окрашивались. Заполнение модели произво­ дилось в один день, опалубка оставлялась на сутки, после чего она снималась, и модель подсушивалась в течение двух суток.

Такой грунт при сравнительно быстрых механических воздействиях обладал свойствами хрупкого тела, а при медленных деформациях мог изгибаться, оплывать, быть более или менее пластичным. В отдель­ ных случаях перед проведением опыта поверхность грунта дополнитель­ но равномерно нагружалась мешками с дробью. Но картина развития дислокаций от этого не менялась, просто они протекали несколько быстрей.

Выемка досок 'интрузива* производилась сверху вниз по одной или две доски и имитировала постепенное и скачкообразное сокращение его объема. После каждой из выемок делались выдержки по 1—1,5 ча-

116

Фиг. 41. Расположение сило­ вых линий равных напряже­ ний вокруг выработки в гор­ ном массиве (Слесарев, 1948j)

са, в течение которых грунт оседал и приходил в равновесие. В ряде опытов интрузив имитировался резиновым баллоном аналогичной фор­ мы, надутым воздухом. При выпуске воздуха можно было осуществлять более постепенное оседание его поверхности. Но это менее соответ­ ствовало процессу опускания поверхности сокращающихся в объеме интрузивов, который, как отмечалось (ч. И, гл. 7 ), происходит с раз­ ламыванием коры плутона, циклично, скачкообразно. К тому же это было неудобно, так как вследствие легкой податливости баллона проис­ ходило вываливание грунта из плоскости модели.

Дислокации, происходившие в грунте при выемке досок, во всех случаях были как пликативные, так и разрывные. Вначале происходи­ ло прогибание слоев над пустотой, и образовывались горизонтальные замкнутые полости отслоения. Затем возникали поперечные трещины, и участки слоев последовательно обрушались. При этом поперечные нарушения образовывали системы: 1) разламывания оседающих участ­ ков слоев посередине, 2) отламывания и оседания слоев над концами пролета пустоты. Общая форма обрушившейся части грунта представ­ ляла собой фигуру, близкую к узкому вытянутому вверх усеченному конусу с завершающей частью в виде свода, визуально отвечающего параболе. В некоторых опытах верхняя часть конуса из-за уменьше­ ния пролета пустоты не обрушалась, но образовавшиеся трещины сви­ детельствовали о том, что завершением его был также свод. Образую­ щие конуса были прямыми, либо слегка вогнутыми к его оси. Такая вогнутая форма поверхности конуса обрушения отвечает расположению силовых линий равных напряжений над пустотами в горных массивах (фиг. 41). Форма образующих, вероятно, зависела от механических свойств грунта каждого опыта, в частности, определяемых степенью его влажности. Выше обрушившегося грунта образовалась зона про­ гибания с отдельными горизонтальными замкнутыми пустотами от­ слоения.

Размеры установки позволяли фиксировать высоты зон обрушения и прогибания слоев в основном при выемке только первой сверху час­ ти закладки из досок. При размерах последней: длина 22 см , высота 4 см , высоты зон обрушения и прогибания варьировали в пределах соответственно примерно 25—40 и 10—40 см. Эти высоты в основном зоны прогибания зависели от механических свойств грунта, от степе­ ни его влажности.

При каждой последующей выемке досок - уменьшении объема "ин­ трузива" - возникал новый, более широкий и высокий конус обрушения, подобный первому. Причем вначале сравнительно быстро оседала небольшая часть грунта, непосредственно перекрывавшая очередную вынимаемую часть закладки в ее окончаниях. Затем более медленно и постепенно начиналось

117

Фиг. 42. Развитие дислокаций в горизонтально-слоистом грунте над формирующейся, увеличивающейся в размерах полостью

а - модель в исходном состоянии;б,г,д - конечные равновесные стадии процесса оседания грунта при трехкратной выемке закладки из досок; в - прогибание слоев и образование полостей отслоения после очередной выемки части закладки (опыт 4)

изгибание слоев, образовывались трещины контура нового конуса, и про­ исходило оседание его главной массы. После этого некоторое время . растрескивались и оседали отдельные слои в верхней сводовой части.

В целом процесс оседания был постепенным, центробежным. Во всех повторениях опытов картина развития дисклокаций была в целом ана­ логичной и вполне отвечала закономерностям дисклокаций при оседании горизонтально-слоистых пород над пустотами (горными выработками) в недрах земли. На фиг. 4 2,а -д видны отдельные стадии процесса

119

70

Фиг, 43. Дислокации грунта после двукратной выемки частей закладки из досок. Виден изогнутый характер.образующих конуса обрушения. Х о ­ рошо выражены горизонтальные трещины отслоения в зоне прогибания грунта

оседания грунта в одном из опытов при терхкратной выемке досок. Фиг. 43, 44 иллюстрируют одну из промежуточных и конечную карти­ ны дислокаций грунта в других опытах. При выемке досок более тон­ кими слоями, что ближе имитирует постепенность сокращения объема интрузивов, картина дислокаций была та же, только с большим числом сводов оседания грунта. При очень замедленном, постепенном сокра­ щении объема "интрузива' (например, в опытах с резиновым баллоном) количество сводов оседания, их интервалы уже регулировались толщи­ ной отдельных слоев, наличием ослабленных пропластков.

Не трудно видеть, что если бы опыты проводились на объемной установке, где 'интрузив' имел бы округлую в плане форму, то тре­ щины образовывали бы кольцеобразные системы с падением в сторо­ ны от центра.

Согласно теории, высота зоны обрушения для используемого грун­ та при соответствующих размерах полости должна составлять примерно:

где ш - высота полости, к - коэффициент разрыхления, равный для глинистых пород 1,2 (Слесарев, 1948^).

Высота зоны трещиноватости, возникающей над зоной обрушения, находится из соотношения:

120

Таким образом, общая мощность зоны развития разрывов для дан­ ных условий должна быть:

Мощность зоны прогибания грунта над образующейся полостью

И общая мощность грунта, пришедшего в движение:

Как можно видеть, суммарная мощность зон трещиноватости и про­ гибания в данных опытах находится в удовлетворительном соответст­ вии с расчетной, вытекающей из законов горной механики.

в) Дислокации вмещающих пород'при термическом сокращении объе-

ема интрузивов. Посколькутермическое сокращение объема интрузивов предполагает образование в недрах земли потенциального большого безопорного пространства, то над остывающими плутонами также бу­ дет происходить оседание перекрывающих пород. Законы горной меха­ ники, результаты проведенных вышеописанных опытов, горно-технические и геологические наблюдения позволяют наметить следующую схему раз­ вития дислокаций пород над остывающими интрузивами.

Так как остывание и термическое сокращение объема интрузивов в целом происходит медленно, то столь же медленно будет осущест­

вляться и оседание перекрывающих их пород. На всем протяжении вре-

121

мени оседания надинтрузивных толщ в них будут существовать после­ довательно располагающиеся снизу вверх зоны обрушения, прогибания и упругих деформаций. Как было показано выше, зона обрушения в идеале ограничивается кривой поверхностью сводообразного типа, от­ вечающей параболоиду. Но из-за длительности процесса увеличения вертикальных и горизонтальных размеров полости свод все время удаляется от интрузива. В результате общая конфигурация обрушающихся пород приобретает вид вытянутого вверх конуса с завершающей сводовой частью. Главными разрывными нарушениями надинтрузивных толщ, возникающими в зоне обрушения,будут: 1) субгоризонтальные трещины отслоения, образующиеся в начальные периоды формирования сводов обрушения, когда происходит прогибание пород; 2) системы трещин, образующих поверхности конусов обрушения; 3) сводооб­ разные системы трещин верхних окончаний конусов-сводов ествественного равновесия пород. Конфигурация систем трещин группы 2 в го­ ризонтальном срезе (в благоприятных условиях) должна соответствовать конфигурации интрузива. Это будут кольцевые системы с паде­ нием в стороны от интрузива. В зоне прогибания пород, располагаю­ щейся выше зоны обрушения, образуются в основном замкнутые по­ лости отслоения предпочтительно горизонтального направления.

Вовлечение пород в процесс оседания, трещинообразования в соот­ ветствии со скоростью остывания интрузивов должно происходить пос­ тепенно, центребежно по отношению к интрузиву и затухать вверх от него. В соответствии с законами механики хрупких сред периоды на­ коплений наряжений будут чередоваться со сравнительно кратковремен­ ными моментами их разгрузок, поэтому процесс хрупких деформаций должен быть прерывистым, цикличным. Ранее осевшие пачки пород будут оседать повторно, ранее образовавшиеся трещины будут поднов­ ляться на всем отрезке времени остывания интрузива до самых верх­ них участков зоны трещиноватости пород. Этот процесс цикличности оседания перекрывающих пород будет осложняться еще и скачкообраз­ ным мозаичным характером опускания отдельных участков поверхнос­ ти плутона.

Высота развития зон трещиноватости и прогибания надинтрузивных толщ зависит от размеров и конфигурации интрузивов и других осо­ бенностей формирования отдельных массивов. В соответствии с тео­ рией и данными опытов общая высота этих зон может превышать вер­

гл. 1 ,а) и в области верхнего контакта которого может возникать теоретическая полость вышеуказанных размеров (ч. III, гл. 1), общая высота сдвижения перекрывающих пород будет достигать 1,5-3 км. Этот порядок цифр подтверждается и расчетами. Представим, что внед­ рение вышеупомянутого интрузива произошло без нарушения залегания горизонтально слоистых перекрывающих толщ. Представим также, что боковые опорные целики вмещающих интрузивов пород абсолютно жест­ кие. В этом случае после остывания интрузива мы будем иметь поло

122

с полостью указанных размеров, которая однажды образовалась и да­ лее не увеличивалась. Таким образом, мы сможем рассчитать вели­ чину свода естественного обрушения (равновесия) пород над этой поло­ стью. По В .Д . Слесареву, мощность осевших пород при возникновении свода обрушения над такой полостью будет равна:

Коэффициент разрыхления мягких пород 1,3-1,4, твердых - 1,4-1,5. Правда, раздробление пород в объеме обрушающихся кровель горных выработок не вполне соответствует раздроблению их в масштабе толщ, перекрывающих интрузивы. Очевидно, что крупность "кусков" в послед­ нем случае будет значительно больше, а коэффициент разрыхления мень­ ше. Так как для такого рода разрыхления он неизвестен, примем его (заведомо завышая) равным 1,3. Это значит, что на высоте 500 м от начальной поверхности интрузива или на высоте 500+150 = 650 м от поверхности остывшего тела возникнет сводообразная система трещин, а породы внутри этого объема окажутся опустившимися и раздроблен­ ными. При этом в соответствии со сказанным h 0gp занижена. После уплотнения осевших пород возникнет новый свод механического равно­ весия, высота которого будет больше высчитанной.

уменьшение объема интрузива медленное, то должны были возникать промежуточные своды оседания пород, прежде чем они достигли вы­ считанной, максимальной для принятых условий высоты.

Приблизимся к реальным условиям формирования плутонов. В гео­ логической обстановке по мере уменьшения объема интрузива и оседа­ ния перекрывающих пород будут деформироваться и боковые вмещаю­ щие породы. После прекращения внедрения магмы и начала термичес­ кого сокращения плутона перекрывающие породы перестанут получать опору на интрузив. Естественно, что усилится давление на породы, ограничивающие интрузив с боков. Так как интрузив, сокращаясь в объеме, уменьшается и в горизонтальном направлении, то на ограни­ чивающие породы начнет воздействовать и боковое давление, т .е.

на боковые породы интрузива будут действовать те же силы, что и на боковые породы, целики горных выработок. Эти силы будут приводить к сжиманию, раздрабливанию, разрушению боковых пород. В результате этого пролет пустоты будет увеличиваться, что в свою очередь вызо­ вет оседание новых толщ перекрывающих пород с образованием более широких и высоких конусов обрушения. Это дает нам право полагать, что высота образующихся сводов, конусов оседания пород будет боль­ ше высчитанной величины для фиксированной полости.

123

Но даже если принять в расчет минимальное высчитанное значение высоты зоны обрушения пород h 0бр= 500 м, то высоты зон трещино­ ватости и прогибания над таким интрузивом составят соответственно ^треш = 750 м, h ПрОГ=1000 м, а общая амплитуда сдвижения пород, в пределах которой возникают трещины, зоны отслоения, будет дости­ гать h общ = 2 250 м.

Точную высоту оседающих пород для реальной обстановки устано­ вить невозможно, ибо никогда невозможно предугадать состав, зале­ гание, степень нарушенности и т.д. пород. Геологические, горно-техни­ ческие наблюдения, а также расчеты по формуле С .Г . Авершина (1950), эмпирически выведенной для случаев оседания пород над протяженны­ ми пологими выработками (пласты), показывают на весьма значитель­

Это свидетельствует о том, что заметные деформации перекрывающих интрузивы пород,, сопровождающиеся оседанием толщ и трешинообразованием, могут распространяться вверх на километры, что подтвержда­ ется многочисленными наблюдениями в природе, в том числе по рас­ пространению, развитию в надинтруэивных толщах различных минера­ лизованных залежей.

Как можно видеть, данные моделирующих экспериментов, наблюде­ ния процессов сдвижения пород над горными выработками, проделан­ ные расчеты вполне соответствуют геологическим фактам о развитии надинтруэивной тектоники и объясняют эти эмпирические закономер­ ности. Мы приходим к выводам, что причиной проявления указанной тектоники в надинтруэивных толщах является уменьшение объема плу­ тонов при их остывании.

Остановимся еще на некоторых деталях этого процесса.

В наших опытах была получена в известной мере идеализированная картина развития деформаций надинтруэивных толщ. В частности, мы взяли горизонтальное залегание слоев, что делало процесс более наг­ лядным. Но над реальными интрузивами гранитоидов залегание пород часто бывает более сложным, в частности, куполообразным в соответ­ ствии с формой поверхности перекрываемого интрузива. Если конфигу­ рация интрузивного купола отвечает форме свода естественного рав­ новесия, то при уменьшении размеров такого интрузива перекрываю­ щие купол породы могут дольше сохранять механическое равновесие. ПоэтЪМу в таких условиях первая сводообразная система трещин мо­ жет совпадать с поверхностью контакта или, если контакт приварен­ ный, проходить вблизи него со стороны лежачего или висячего боков. Таким образом, в реальных интрузивах весьма вероятно появление "свободных" объемов в плоскости их контактов.

Наоборот, наименее устойчивыми будут породы над плоскими гори­ зонтально вытянутыми интрузивами. Форма оседания перекрывающих

124