Методика изучения деформационного состояния геологической среды района екатеринбурга по гравиметрическим данным
На правах рукописи
БОЛОТНОВА Любовь Анатольевна
МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ ДЕФОРМАЦИОННОГО СОСТОЯНИЯ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ РАЙОНА ЕКАТЕРИНБУРГА
ПО ГРАВИМЕТРИЧЕСКИМ ДАННЫМ
Специальность: 25.00.10 – «Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата геолого-минералогических наук
Екатеринбург- 2007
Работа выполнена в ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»
| Научный руководитель - Официальные оппоненты: Ведущая организация - | доктор геолого-минералогических наук, профессор, Филатов Владимир Викторович доктор физико-математических наук Долгаль Александр Сергеевич (Горный институт, УрО РАН, г. Пермь); кандидат геолого-минералогических наук, доцент Петряев Валерий Евгеньевич (УГГУ, г. Екатеринбург) Пермский государственный университет (г. Пермь) |
Защита диссертации состоится « 8 » ноября 2007 г. в 1400 час. на заседании диссертационного совета Д 212.280.01 при ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» по адресу:
620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30, 3-й корпус, ауд.3326.
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»
Автореферат разослан «____» октября 2007 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Рудницкий В. Ф.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность исследований. Урбанизация значительных по площади территорий приводит к изменению естественного состояния геологической среды. Результатом техногенных вмешательств является нарушение ее равновесия, возникновение различных по интенсивности и форме динамических явлений. Наиболее катастрофичными среди них следует считать техногенные землетрясения. Вследствие этого проблема изучения состояния геологической среды имеет не только научно-техническое, но и социальное значение. По мере развития процессов урбанизации актуальность этой проблемы, а также необходимость ее решения становятся все острее. В научном отношении это привело к становлению новой отрасли в геологической науке – экологической геологии, изучающей закономерности пространственно-временных изменений литосферы под действием естественных и техногенных факторов (Трофимов и др., 2002, 2006).
Воздействия естественных и техногенных факторов многопланово и многофункционально. В частности, они способствуют изменению физических свойств, напряженно-деформированного и энергетического состояния геологической среды и проявляются в изменении характеристик измеряемых геофизических полей. Поэтому неслучайно элементами структуры экологической геологии являются экологическая геодинамика и экологическая геофизика.
Изучение состояния геологической среды геофизическими методами представляет триединую задачу, а именно:
- изучение строения среды;
- оценка ее естественного напряженно-деформированного режима;
- изучение реакции среды при воздействии на нее естественных и техногенных факторов.
На урбанизированных территориях очень высок уровень различных помех, затрудняющих измерение характеристик физических полей и как следствие делающих порой невозможным изучение строения и состояния геологической среды. Наиболее помехоустойчивыми методами являются сейсмический и гравиметрический.
Опыт применения геофизических методов для изучения состояния геологической среды урбанизированных территорий пока невелик и ограничивается использованием в основном сейсмического метода для установления особенностей геодинамики и микросейсмического фона геологической среды (Жигалин, Попова и др., 2004), осуществления прогноза сейсмической активности природного и техногенного характера. Анализ обменных PS-волн далеких землетрясений позволил получить представление о напряженном состоянии геологической среды в интервале глубин 0-20 км в пределах Московского мегаполиса (Померанцева, Солодилов, 2004).
Целесообразность применения гравиметрии для изучения состояния среды обусловлена не только помехоустойчивостью метода, но также тем, что между потенциалом силы тяжести и компонентами вектора смещения частиц среды при ее деформировании установлена функциональная зависимость (Филатов, 1990). На основе этой зависимости был разработан метод тектонофизического анализа гравитационного поля, позволяющий вычислять различные деформационные характеристики: главные значения и главные направления тензора чистой деформации, дилатацию и др. Этот метод был применен для изучения деформационного состояния геологической среды в пределах Екатеринбурга.
Целью работы является создание методики изучения деформационного состояния геологической среды по гравиметрическим данным.
Задачи исследований. Изучить геологическое строение и тектонику района Екатеринбурга. Разработать методику интерпретации и осуществить интерпретацию аномалий силы тяжести района Екатеринбурга с целью установления размеров, формы и условий залегания плотностных неоднородностей (интрузивных массивов), являющихся основными источниками деформирования геологической среды.
- Выполнить тектонофизический анализ поля силы тяжести для установления характера поля деформаций, обусловленного плотностной неоднородностью геологической среды.
- Дать динамическую и энергетическую характеристику геологической среды района Екатеринбурга по комплексу геолого-геофизических и геодезических данных.
Защищаемые положения. 1. Впервые при изучении геологического строения района Екатеринбурга построены трехмерные модели всех интрузивных массивов (плотностных неоднородностей) по гравиметрическим данным.
2. Гравитационные силы, обусловленные гранитными и гранитоидными массивами, определяют режим растяжения, ультраосновные массивы – режим сжатия в геологической среде.
3. Верхняя часть земной коры района Екатеринбурга под действием гравитационных сил в основном находится в режиме разгрузки.
Научная новизна выполненной работы состоит в следующем:
- разработана методика интерпретации, и выполнена интерпретация аномалий силы тяжести, в результате чего построены трехмерные модели всех интрузивных массивов района Екатеринбурга (плотностных неоднородностей);
- впервые для района Екатеринбурга получена характеристика поля деформации, обусловленного гравитационными силами или плотностной неоднородностью среды.
Практическая значимость работы
- Результаты интерпретации аномалий силы тяжести могут быть использованы для изучения глубинного (первые километры) геологического строения района Екатеринбурга.
- Разработанная в диссертации методика может быть применена для изучения деформационного состояния геологической среды в пределах мегаполисов и других территорий.
- Предложен приближенный способ оценки энергии, выделяющейся в геологической среде, основанный на явлении разрушения водопроводных труб, имеющий в Екатеринбурге массовый характер.
Апробация работы. Материалы, положенные в основу работы, доложены на российских и международных конференциях: II и III научные чтения памяти Ю.П. Булашевича (Екатеринбург, 2003, 2006); Пятая и Седьмая Уральская молодежная научная школа по геофизике (Екатеринбург, 2004; Пермь, 2007); V Международная научно-практическая геолого-геофизическая конференция – конкурс молодых ученых и специалистов «Геофизика -2005» (Санкт-Петербург, 2005); Международная научно-практическая конференция «Геодинамика-2005» (Новосибирск, 2005); Восьмые и Девятые геофизические чтения имени Федынского В.В. (Москва, 2006, 2007); Всероссийская научно-практическая конференция «Эколого-геологические проблемы урбанизированных территорий» (Екатеринбург, 2006).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано двенадцать печатных работ, в том числе одна статья в журнале, рекомендованном ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав и заключения, содержит 109 страниц текста, 27 рисунков, 2 таблицы и библиографический список из 74 наименований.
Благодарности. Автор выражает особую признательность научному руководителю д.г.-м.н., проф. В. В. Филатову за постановку задачи, постоянное внимание и помощь на всех этапах работы над диссертацией. Автор благодарит за плодотворное сотрудничество геофизика I категории С. И. Гуськова, д.т.н. В. А. Кочнева, Н. И. Рудицу, д.т.н., проф. С. М. Скоробогатова, ст. науч. сотр. А. Н. Гуляева, к.г.-м.н., доц. А. Б. Макарова, д.т.н. проф. С. А. Ляпцева, А. А. Кривчун. Автор признателен коллективу кафедры геофизики УГГУ за благоприятные условия, созданные для выполнения исследований, близким и друзьям за понимание и поддержку.
ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
ПОЛОЖЕНИЕ 1. Впервые при изучении геологического строения района Екатеринбурга построены трехмерные модели всех интрузивных массивов (плотностных неоднородностей) по гравиметрическим данным.
Первая особенность геологического строения верхней части земной коры района Екатеринбурга заключается в широком развитии здесь интрузивных массивов: Верх-Исетского, Свердловского, Шарташского, Шувакишского, Широкореченского и Уктусского. Первые три являются существенно гранитоидными и гранитными, Уктусский массив дунит- пироксенит-габбровый, Шувакишский и Широкореченский являются массивами габбро.
Вторая особенность заключается в том, что в структурно-тектоническом отношении геологическая среда Екатеринбурга представляет собой узловую структуру, состоящую из большого числа разломов различных рангов, ориентировок и кинематических типов, образующих крупный тектонический узел, центр которого расположен между Свердловским и Шарташским гранитными массивами. В этом узле находится большая часть мегаполиса.
Интрузивные массивы данного района хорошо изучены в минералогическом, петрографическом и тектоническом отношениях на уровне современного эрозионного уровня. Представления же о форме массивов и глубине залегания их нижних кромок весьма скудные и приблизительные.
По результатам интерпретации предыдущих авторов были получены следующие данные: Верх-Исетский массив представляет собой пластообразное тело и имеет в вертикальном сечении чечевицеобразную форму; вертикальная мощность массива в краевых частях равна примерно 1,5 – 3 км.
По расчетам О. В. Беллавина и Д. С. Вагшаля (1970), Шарташский массив является самостоятельной интрузией и не связан непосредственно с Верх-Исетским массивом.
В работе Е. А. Зинковой и Г. Б.Ферштатера (2004) Верх-Исетский массив обозначен как крупнейшее на Урале батолитообразное тело. В последней по времени работе о результатах геологической съемки, выполненной в этом районе, приведена весьма скудная морфологическая характеристика массивов, хотя в распоряжении авторов была кондиционная гравиметрическая карта масштаба 1: 200 000.
Благоприятной предпосылкой для решения задачи по установлению морфологии массивов явилось то, что на территории мегаполиса была выполнена гравиметрическая съемка и составлена карта изоаномал силы тяжести в редукции Буге в масштабе 1:200 000. В условиях крупного города гравиметрия является единственным геофизическим методом, с помощью которого можно изучать глубинное строение земной коры.
Физико-геологические условия района мегаполиса определили методику интерпретации аномалии силы тяжести. Эти условия заключаются в следующем:
- региональный фон хорошо описывается полиномом первой степени;
- известно положение границ массивов на уровне эрозионного среза и плотности пород, слагающих массивы;
- интрузивные массивы находятся на небольшом расстоянии друг от друга или даже имеют общие контакты.
Интерпретация аномалий поля силы тяжести была выполнена по следующей методике:
- Пространственный анализ поля силы тяжести с помощью программы «VECTOR» для разделения аномалий, обусловленных интрузивными массивами, и определения эффективных глубин их залегания и значений квазиплотностей. Этот этап интерпретации позволяет получить нулевое приближение моделей плотностных неоднородностей.
- Решение двумерной обратной задачи с помощи программы GRPR2 (Виноградов В.Б.) для оценки истинных глубин залегания и истинных относительных значений плотности интрузивных массивов. На этом этапе интерпретации устанавливаются контуры плотностных неоднородностей в вертикальных сечениях. Результаты этого этапа интерпретации представляют первое приближение моделей плотностных неоднородностей.
- Построение трехмерной плотностной модели геологической среды с помощью пакета программ ADG-3D как второе и окончательное решение обратной задачи.
Наиболее интересный и, пожалуй, неожиданный результат применения метода «VECTOR» (рис.1) заключается в том, что в слое между эффективными глубинами 7 и 10 км предположительно может находиться крупная в плане квазиплотностная неоднородность. Геологически эту неоднородность можно рассматривать как основание батолита, фрагментами которого на дневной поверхности служат известные интрузивные массивы кислого состава: Верх-Исетский, Свердловский, Шарташский. Косвенным подтверждением этого вывода служит характеристика поля общей гамма-активности, которое отражает основные элементы геологического строения, проявленные на дневной поверхности. Средний (фоновый) уровень гамма-поля на территории Екатеринбурга составляет 6-8 мкР/ч. Повышенными значениями (более 8-10 мкР/ч) отмечаются обнажающиеся на дневной поверхности участки гранитоидных массивов - Свердловского и Шарташского. При этом область относительно повышенного уровня гамма-поля (более 8 мкР/ч) охватывает центральную часть Екатеринбурга и протягивается в северо-восточном направлении по азимуту около 40 градусов от Свердловского гранитного массива до Шарташского. Это позволяет сделать предположение, что эти массивы на глубине могут иметь общее основание – единый гранитно-метаморфический слой (Гуляев, 2001; Карта районирования…,1997).
По результатам интерпретации аномалий силы тяжести с помощью пакета программ ADG-3D можно сделать вывод, что гранитные массивы - Верх-Исетский, Свердловский и Шарташский представляют собой единый батолит (рис. 2).
Для визуализации результатов интерпретации гравитационных аномалий кроме «плоских» отображений были использованы наборы трехмерных диаграмм квазиплотностей. Во многих случаях они с удовлетворительной точностью характеризуют геологический разрез на качественном уровне, но для перевода эффективных глубин и квазиплотностей в истинные глубины и истинные плотности необходимо решить обратную задачу.
Примененный адаптивный метод ADG-3D обладает следующими основными достоинствами:
- не накапливает ошибок округления, что позволяет решать системы с большим числом уравнений и неизвестных;
- позволяет находить решение, ближайшее к априорно заданному, в том случае, когда задача имеет множество решений.
Для того чтобы решить обратную задачу, используя пакет программ ADG-3D, в качестве приближенных моделей массивов были использованы решения обратной задачи по программе GRPR2.
В методе ADG-3D принята трехмерная слоистая модель среды с криволинейными границами раздела. Каждый слой в этой модели аппроксимируется параллелепипедами, плановые размеры которых задаются интерпретатором; в нашем случае были заданы размеры 2,5 х 2,5 км, а вертикальные определялись положением криволинейных границ. Плотность в пределах каждого блока-параллелепипеда полагалась постоянной. Путем решения обратной задачи были определены формы массивов и глубина их нижних кромок в трехмерном варианте (рис. 3).
Размеры блока в плане, для которого была решена задача, 60,0 х 42,0 км, глубина около 9,0 км.
Рис.1. Пример визуализации результатов интерпретации аномалий силы с помощью программы «VECTOR»: гравитационное поле, обусловленное горизонтальным слоем горных пород с эффективными глубинами h1=7 км (кровля) и h2=10 км (подошва): 1 - контуры массивов интрузивных пород: I - Верх-Исетский; II - Свердловский; III – Шарташский; 2 - контур предполагаемого гранитоидного батолита;
3 - изоаномалы (оцифрованы в мГал)
Рис. 2. Пример визуализации результатов интерпретации аномалий силы с помощью пакета программ ADG-3D: схема распределения плотности на истинной глубине 4 км:
1 - контуры массивов интрузивных пород:I – Верх-Исетский; II – Шувакишский; III – Уктусский; IV – Шарташский; V– Свердловский; VI - Широкореченский; 2 – контур предполагаемого гранитоидного батолита; 3 - изолинии равных плотностей (оцифрованы в г/см3)
Рис. 3. Трехмерная слоистая плотностная модель среды
Результаты интерпретации аномалий поля силы тяжести по профилю II-II представлены на рис. 4: верхний разрез - результат интерпретации поля силы тяжести по программе GRPR2, под ним расположен разрез - результат интерпретации по программе ADG-3D.
Рис. 4. Результаты интерпретации аномалий поля силы тяжести по профилю II – II:
1 - график наблюденного поля силы тяжести; 2 - график региональной составляющей поля силы тяжести; 3 - график локальной составляющей поля силы тяжести; 4 - график силы тяжести моделей массивов; а - плотностной разрез 2-D (программа GRPR2); б – плотностной разрез 3-D (программа ADG-3D)
Результаты интерпретации аномалий поля силы тяжести излагаются ниже.
Верх-Исетский гранитный массив залегает среди вулканогенных, вулканогенно-осадочных и интрузивных пород. В аномальном гравитационном поле Верх-Исетскому гранитному массиву и его Свердловскому сателлиту соответствует область относительно пониженного (отрицательного) поля. Изоаномалы гравитационного поля в этой области оконтурены в плане с этими массивами.
Свердловский массив, сложенный средне- и крупнозернистыми биотитовыми гранитами, рассматривается как сателлит Верх-Исетского батолита, от которого он отделен узкой зоной динамосланцев по вулканогенным породам.
В разрезе вдоль северного широтного профиля (560 56/) западный и восточный контакты Верх-Исетского массива падают на запад под углами
[1] соответственно 30 и 450. Как показывают расчеты, на глубине 2,5 км горизонтальные размеры массива равны его ширине на дневной поверхности (около 15 км); начиная с глубины 2,5 км горизонтальные размеры массива резко уменьшаются, и он превращается в столбообразное вертикальное тело, нижний контакт которого находится на глубине около 8,5 км.
В разрезе вдоль широтного профиля II-II (560 51/) (см. рис. 4) оба массива вместе представляют пластообразное тело до глубины 2,5 км. Далее с глубиной горизонтальные размеры Свердловского массива уменьшаются, и на глубину около 5,0 км уходит только сужающаяся книзу «корневая» часть массива. Западный контакт пластообразного тела до глубины 1,5 км падает на запад, а с глубины 0,5 км – на восток под углом 1600; восточный контакт падает также на запад под тем же углом 1600.
В разрезе вдоль меридионального профиля VII-VII Верх-Исетский массив представляет собой тело сложной чашеобразной формы с четырьмя сужающимися корневыми частями клиновидной формы, которые пространственно связаны с разломами. Западный контакт массива вблизи поверхности падает запад под углом 250, а начиная с глубины около 1,0 км - на восток под углом 1300. Восточный контакт вблизи поверхности падает на запад под углом 400. Вертикальная мощность массива увеличивается с 3,0 км в южной части до 8,0 км в северной, т.е. в южном направлении массив выклинивается.
Таким образом, оба массива приурочены не к антиклинальной, а синклинальной структуре. И сформировались они, предположительно, путем заполнения ее магматическим веществом, которое поступало по вертикальному каналу, о чем свидетельствует наличие столбообразного тела в разрезе вдоль северного профиля.
Шарташский массив, расположенный на восточной окраине Екатеринбурга, сложен гранитами трех интрузивных фаз. Шарташскому гранитному массиву соответствует область пониженного (отрицательного) аномального гравитационного поля. Поскольку Шарташский массив расположен в стороне от других массивов, то обусловленная им аномалия силы тяжести хорошо выражена (локализована). Ее интерпретация показала, что контакты массива падают в сторону вмещающих пород, что указывает на расширение массива в глубину. Предполагается, что массив представляет собой часть Большого Шарташского плутона, вертикальные размеры которого оцениваются в 7,5 км.
Так, например, западный контакт падает на запад под углом 300, восточный – на восток под углом 1750, т.е. массив действительно в нижней своей части шире примерно в три с половиной раза, чем в верхней. Глубина залегания нижней части Большого Шарташского массива изменяется от 1,5 до 7,5 км. Под массивом предполагается столбообразное наклонное тело. Оно падает на запад под углом около 700, его вертикальные размеры оцениваются в 5,6 км, а ширина – приблизительно в 2 км.
Шарташский массив, таким образом, следует рассматривать как лакколит. Столбообразное тело, вероятно, образовалось в канале, по которому происходило внедрение кислой магмы, сформировавшей лакколит.
Большой Шарташский плутон имеет несколько выступов, самый значительный из них, находящийся в западной части, выходит на поверхность в виде Шарташского массива. Восточнее расположены Шпанчевский и Становлянский массивы. Становлянский не имеет выхода на дневную поверхность.
У всех гранитных массивов основная (по количеству) масса гранитного материала сосредоточена в самых верхних частях земной коры, до глубины 3 км. На большую глубину уходит только резко сужающаяся книзу «корневая» часть массивов. Такой своеобразный «корень»-клин может быть расположен как в центре, так и на периферии массива.
Шувакишский массив расположен в северной части Екатеринбурга. Его размеры в плане 4х17 км; он сложен в основном габбро. Шувакишскому массиву габбро соответствуют области наиболее высоких (положительных) значений аномального гравитационного поля. Контакты массива с вмещающими породами тектонические; падение западного и восточного контактов (простирание массива меридиональное) крутое, встречное под углами 65-750. Нижний контакт массива находится на глубине 2,5-3,0 км (Копанев, Калугина и др., 1999).
По результатам интерпретации аномалии силы тяжести параметры массива несколько иные: западный и восточные контакты падают на запад под углами 60 и 650, нижний контакт находится на глубине 2,5 км.
Уктусский массив расположен в южной части Екатеринбурга. Область относительного повышения аномального гравитационного поля в южной части Екатеринбурга и его пригородов имеет субширотное простирание. Наиболее высокие значения поля соответствуют поднятию Уктусских гор, сложенных основными и ультраосновными породами.
Массив состоит из трех тел - Северного, Центрального и Южного, которые сложены в основном дунитами, оливинитами, клинопироксенитами, верлитами и тылаитами.
Интерпретационный профиль V-V пересекает Центральное тело массива. В разрезе по этому профилю западный контакт имеет восточное падение под углом 1600, восточный контакт массива имеет западное падение под углом 250; глубина залегания нижнего контакта массива составляет около 8 км. Такой же вывод о том, что вертикальные размеры массива составляют 6-8 км, был сделан предыдущими авторами (Копанев, Калугина и др., 1999). С глубиной (около 1,5 км) падение контактов массива резко изменяется: западный контакт падает на запад под углом 600, восточный - падает на восток под углом 1400. В северной части массив выклинивается и достигает глубины только 2,5 км.
Широкореченский массив расположен юго-западнее Екатеринбурга. На три четверти он сложен габбро. Сведения о нем скудны, в поле силы тяжести он не картируется локальной аномалией. Эти обстоятельства создали трудности в определении его формы. По результатам интерпретации форма массива чашеобразная, вертикальная мощность Широкореченского массива в южной части менее 1,0 км, в северной около 2,5 км.
Анализ силы тяжести, выполненный нами, позволил впервые получить представление о форме и условиях залегания всех плотностных неоднородностей (источниках аномалий) района Екатеринбурга, которые отождествляются с интрузивными массивами. Ранее путем интерпретации аномалий гравитационного поля, была определена форма только Шарташского массива.
ПОЛОЖЕНИЕ 2. Гравитационные силы, обусловленные гранитными и гранитоидными массивами, определяют режим растяжения; ультраосновные массивы – режим сжатия в геологической среде.
Для изучения состояния геологической среды в пределах Екатеринбургского мегаполиса нами были использованы результаты измерения силы тяжести. Физико-математической основой применения гравиметрии для решения этой задачи является зависимость между компонентами вектора смещения частиц среды при ее деформировании и потенциалами силы тяжести (Филатов, 1990). Компоненты вектора смещений 
, обусловленных гравитационными силами, определяются следующими выражениями:
, (1)
где P - коэффициент, зависящий от модулей упругости и гравитационной постоянной; - коэффициент Пуассона; W- гравитационный потенциал плотностной неоднородности; Сx, Сy, Cxzo, Cyzo, Czzo – некоторые безразмерные функции, зависящие от потенциала. Произведение этих функций на потенциал соответственно
, (2)
где 
- избыточная (дефект) плотность, которой характеризуется неоднородность; V, dV – объем и элемент объема неоднородности; x, y- координаты точек, в которых определяются смещения на плоскости наблюдения поля g (z=0); xо, yо, zo – координаты точек плотностной неоднородности; R – текущее расстояние между этими точками.
Компоненты вектора смещений (1) являются промежуточным результатом. Они служат только основой для вычисления по формулам Коши компонентов тензора чистой деформации:
(3)
Метод исследования поля силы тяжести, построенный на этой зависимости, названный тектонофизическим анализом гравитационного поля, позволяет вычислять главные значения и главные направления тензора чистой деформации и другие деформационные характеристики.
Расчет деформационных характеристик, вызванных плотностными неоднородностями, был проведен с помощью программы RUMD (Виноградов, Овруцкий, 1994), которая вычисляет упруго-мгновенные значения тензора чистой деформации на дневной поверхности. Термин «упруго-мгновенные» означает, что строго выполняется закон Гука (линейная связь напряжение – деформация) в момент приложения нагрузки, т. е. отсутствуют релаксационные явления: течения, сдвиги и т. п. Среда принимается упруго-однородной, для расчета задаются параметры: модуль Юнга и коэффициент Пуассона, которые одинаковы на всем упругом полупространстве. В данном случае модуль Юнга и коэффициент Пуассона для гранитов 4,6х109 и 0,25. Рассчитываются компоненты тензора чистой деформации exx, eyy, ezz, exy, exz, eyz, а затем вычисляются главные значения и главные направления деформаций e1, e2, e3, зависящие только от свойств деформируемого тела. Три главных значения и девять направляющих косинусов, характеризующих три главных направления, являются основной информацией о напряженно-деформированном состоянии среды, извлекаемой из результатов гравиметрических съемок.
Анализ поля деформации показывает, что оно, благодаря значительной дифференциации геологической среды по плотности, существенно неоднородно. Неоднородность проявляется в закономерном пространственном изменении величины и знаков главных значений и ориентировке главных осей деформации. Каждый интрузивный массив в зависимости от знака относительной плотности (избыток масс или дефект масс) и формы характеризуется только ему присущим полем деформации.
Тектонофизический анализ поля силы тяжести показал, что под действием гравитационных сил (плотностной неоднородности среды в виде интрузивных массивов) гранитный и гранитоидный массивы создают в среде деформации растяжения. Главные оси этих деформаций, лежащие в горизонтальной плоскости, ориентированы субширотно и субмеридионально. Массивы, сложенные ультраосновными породами, создают деформацию сжатия. Небольшие по размерам, эти массивы не оказывают существенного влияния на общий характер деформирования среды, на большей части территории Екатеринбурга он представляет собой растяжение и сдвиг, то есть среда здесь находится в разгружаемом состоянии. Главные оси деформации растяжения ориентированы вкрест простирания (первая главная ось) и вдоль простирания разломных структур. На рис. 5 представлено поле деформации; длина стрелок на нем прямо пропорциональна величине относительной деформации (растяжение или сжатие) в каждом узле, а направление стрелок указывает на ориентировку осей деформации.
Режим растяжения, поддерживаемый в течение длительного времени гравитационными силами, должен обеспечивать современную активность разломов и их проницаемость. Этот вывод подтверждается: 1) соответствием ориентировок главных осей деформации и простиранием и кинематикой разрывных нарушений, закартированных геологическими методами; 2) развитием глубоких карманов выветрелых пород по контактам даек гранит-порфиров в осевых зонах разломов (Буданов, 1964); 3) проявлением в рельефе дневной поверхности новейших движений и наличием флексурно-разрывных зон, являющихся границами между участками относительных опусканий и воздыманий (Гуляев, 2001); 4) повышенной концентрацией радона в почвенном воздухе и в подземных водах во флексурно-разрывных зонах (Карта районирования…, 1997).
Рис. 5. Поле главных компонент деформации е1 и е2: 1 - контуры массивов интрузивных пород: I – Верх-Исетский; II – Шувакишский; III – Уктусский; IV – Шарташский; V – Свердловский; VI – Широкореченский; 2 - растяжение; 3 – сжатие
Рис. 6. Схема главных значений и главных направлений тензора чистой деформации с элементами разрывной тектоники: 1 - тектонические структуры сдвигового типа; 2 - всбросовые и надвиговые тектонические структуры; 3 - тектонические структуры отрыва; 4 –растяжение; 5 – сжатие
На рис. 6 показано соотношение между разрывными нарушениями, установленными геологическими методами и по данным тектонофизического анализа поля силы тяжести.
Важной характеристикой деформации, зависящей от всех трех главных значений, является дилатация (или дилатансия), т.е. относительное изменение объема деформируемой среды (=e1 + e2 + e3) (рис. 7). Все гранитные массивы характеризуются положительной дилатацией примерно одинаковой величины (1,0-1,5)·10-2. Все ультраосновные массивы картируются отрицательной дилатацией: максимальная величина дилатации Шувакишского массива более 1,5·10-2, Широкореченского – около 1,5·10-2, Уктусского – более 2,8·10-2.
Рис. 7. Поле дилатации
Ультраосновные породы характеризуются большими значениями модуля упругости (модуля Юнга). Поэтому, как показывают результаты измерения (Медведев, Кузнецов, 1982), геологические тела, сложенные такими породами, являются концентраторами напряжений, т.е. они способны накапливать огромное количество упругой энергии без разрушения. Ультраосновные массивы в черте Екатеринбурга также являются концентраторами напряжений, как это следует из характера дилатации (см. рис. 7).
ПОЛОЖЕНИЕ 3. Верхняя часть земной коры района Екатеринбурга под действием гравитационных сил в основном находится в режиме разгрузки.
Геологическая среда в пределах Екатеринбургского мегаполиса в значительной мере сложена различными метаморфическими породами. Изучение деформационных свойств горных пород показывает, что вторичные структурные деформационные изменения, которым подверглась порода при метаморфизме, приводят к уменьшению ее прочности (Звягинцев, 1978). Среда, состоящая из таких пород и в структурно-тектоническом отношении представляющая крупный тектонический узел, находящийся в режиме растяжения, должна быть потенциальной на проявление динамических событий частых, но невысокой интенсивности. Накопление упругой энергии будет происходить и в такой среде. Но ввиду ее невысокой прочности из-за большого количества деструктивных элементов разрядка напряжений будет происходить при низком уровне упругой энергии. Об этом свидетельствуют наблюдаемые динамические явления: современные движения дневной поверхности, землетрясения, разрывы водопроводных труб (трубопроводов).
В результате повторных нивелировок, выполненных на территории Екатеринбурга в 28 пунктах (Современная геодинамика Урала, 1990), установлено, что по величине скорости вертикальных движений земной коры существенно различаются в зависимости от промежутка времени, в течение которого они определяются. Для годичных временных интервалов величина скорости составляет первые миллиметры в год, для интервалов времени в несколько десятков лет она оценена в первые десятые доли – первые сотые доли миллиметра в год. И в том, и в другом случаях скорости бывают как положительные, так и отрицательные. Инверсия знаков скорости происходит на небольших расстояниях в десятки и сотни метров. Это означает, что геологическая среда сильно дислоцирована и представляет собой «клавишную» структуру, состоящую из блоков небольших размеров, перемещающихся друг относительно друга по вертикали. В долговременном режиме движения блоков-клавишей нет тенденции к увеличению или уменьшению скорости. Это говорит о том, что в целом геологическая среда в пределах Екатеринбурга находится в равновесном состоянии. На этом «фоне» происходят высокоскоростные годичные перемещения блоков, режим движения которых можно назвать «дребезжанием». При таком динамическом режиме в среде не может происходить значительное накопление упругой энергии, поскольку она будет постоянно и повсеместно расходоваться, переходя в кинетическую энергию движения блоков.
С 1914 по 2002 гг. на Урале было зарегистрировано 70 сейсмических событий. Из них 34 отнесены к горно-тектоническим ударам, природа 28 не выяснена, причиной семи событий стали обвалы, карстовые явления, взрывы и горные удары и только одно, произошедшее 17 августа 1914 г. в 50 км к северо-западу от Екатеринбурга, было отнесено к тектоническому землетрясению. Его интенсивность в эпицентре оценена в 6 баллов, магнитуда в очаге 5,5 единиц, глубина очага определена в 26 км (Сейсмические события Уральского региона…, 2002). Глубина очагов остальных 69 событий не превышает 1,2 км, т.е. все они находятся в той части земной коры, которая освоена горными работами. В период с 1996 по 2001 гг. в районе Екатеринбурга зарегистрировано два приповерхностных землетрясения с магнитудой около 1 (Гуляев, 2001) (рис.8). По статистике в мире ежегодно происходит около 13 млн таких землетрясений.
24 сентября 1996 г.
магнитуда 1
10 октября 1997 г. магнитуда 1
Рис. 8. Тектоническая схема территории Екатеринбурга с эпицентрами некоторых динамических событий: 1 - эпицентр землетрясения (по данным ГОУНПП «Уралсейсмоцентр»); 2 - места разрыва водопроводных труб (по данным ЕМУП «Водоканал»); 3 - осевые линии разломов (по Кузовкову, Двоеглазову и др.,1981)
Своеобразным индикатором блочно-«клавишной» структуры геологической среды являются переломы и разрывы водопроводных труб. По данным МОУП «Водопровод» (Гуляев, 2001), ежегодно в Екатеринбурге происходит около 1000 аварий, большая часть которых обусловлена тектоническими причинами - движением блоков по разломам, разрывам и трещинам в геологической среде. Анализ мест аварий показывает, что они почти равномерно распределены по той части территории города, где фиксировались. Для них характерна повторяемость, когда они происходят по многу раз в одном месте. Такая характеристика аварийности свидетельствует о том, что динамический режим геологической среды постоянен, т.е. сохраняется и поддерживается на одном уровне на значительной территории мегаполиса из года в год. Большая плотность (густота) мест аварий указывает на значительную раздробленность геологической среды (рис. 8).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Основные результаты выполненной работы состоят в следующем:
1. Разработана методика и осуществлена интерпретация аномалий силы тяжести района Екатеринбурга с целью установления размеров, формы и условий залегания плотностных неоднородностей (интрузивных массивов), являющихся основными источниками деформирования геологической среды.
2. Выполнен тектонофизический анализ поля силы тяжести и установлен характер поля деформаций, обусловленного плотностными неоднородностями геологической среды.
3. Дана динамическая и энергетическая характеристика геологической среды района г. Екатеринбурга по комплексу геолого-геофизических и геодезических данных.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
Статья, опубликованная в ведущем рецензируемом журнале, входящем в перечень ВАК РФ
- Болотнова, Л.А. Геофизическая оценка состояния геологической среды Екатеринбургского мегаполиса / Л.А. Болотнова, А.Н Гуляев // Изв.вузов. Горный журнал.- 2007.-№ 4. - С.127-134.
Статьи, опубликованные в других журналах, научных сборниках и материалах конференций
- Болотнова, Л.А. К вопросу об оценке состояния геологической среды /В.В. Филатов, Л.А. Болотнова// Ядерная геофизика, геофизические исследования литосферы, геотермия: Вторые научные чтения памяти Ю.П. Булашевича: материалы.-Екатеринбург: ИГф УрО РАН, 2003.- С. 18-19.
- Болотнова, Л.А. Методика тектонофизического анализа гравитационного поля на примере территории г. Екатеринбурга / С.И. Гуськов, Л.А. Болотнова // Современные проблемы геофизики: Пятая Уральская молодежная научная школа по геофизике: сборник материалов.- Екатеринбург: УрО РАН, 2004.- С. 7-9.
- Болотнова, Л.А. Результаты тектонофизического анализа поля силы тяжести района г. Екатеринбурга / В.В. Филатов, С.И. Гуськов, Л.А. Болотнова // Известия УГГУ. Вып.19. Серия: Геология и геофизика.-Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2004.-С.147-152.
- Болотнова, Л.А. Методика и результаты интерпретации поля силы тяжести в районе Екатеринбургского мегаполиса / В.В. Филатов, Л.А. Болотнова //Глубинное строение. Геодинамика. Мониторинг. Тепловое поле Земли. Интерпретация геофизических полей: Третьи научные чтения памяти Ю. П. Булашевича: материалы.-Екатеринбург: ИГф УрО РАН, 2005.- С.147-149.
- Болотнова, Л.А. Изучение состояния геологической среды геофизическими методами / Л.А. Болотнова, Н.С. Бугаева // V Международная научно-практическая геолого-геофизическая конференция – конкурс молодых ученых и специалистов «Геофизика -2005»: тезисы докладов.- СПб.: СПбГУ, ВВМ, 2005.- С. 46-47.
- Болотнова, Л.А. Изучение напряженного состояния геологической среды по гравиметрическим данным / Л.А. Болотнова// Международная научно-практическая конференция «Геодинамика -2005»: тезисы докладов, г. Новосибирск.- Новосибирск, 2005.
- Болотнова, Л.А. Морфология интрузивных массивов района г. Екатеринбурга по гравиметрическим данным /Л.А. Болотнова// Уральский геофизический вестник.-№8 (сб. статей).- Екатеринбург: УрО РАН, 2005.- С.14-21.
- Болотнова, Л.А. Оценка естественного состояния геологической среды по гравиметрическим данным (на примере района г. Екатеринбурга) / Филатов В.В., Болотнова Л.А. // VIII геофизические чтения им. В.В. Федынского. 2-4 марта 2006: тезисы докладов.-М., 2006.- С 40-41.
- Болотнова, Л.А. Оценка деформационного состояния территории Екатеринбурга по геофизическим данным / В.В. Филатов, Л.А. Болотнова // Эколого-геологические проблемы урбанизированных территорий: материалы Всероссийской научно-практической конференции.-Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2006.- С. 173-174.
- Болотнова, Л.А. Оценка естественно–деформированного состояния геологической среды территории г. Екатеринбурга по гравиметрическим данным/ Л.А. Болотнова // Восьмая Уральская молодежная научная школа по геофизике. 19-23 марта 2007, г. Пермь.- Пермь, 2007.- С.34-38.
- Болотнова, Л.А. Эколого–геологическое изучение состояния геологической среды урбанизированных территорий: геофизический аспект / В.В.Филатов, Л.А. Болотнова // IX геофизические чтения им. В.В. Федынского. 1-3 марта 2007:-тезисы докладов. -М., 2007.– С.43-44.
Подписано в печать __.09.07 г. Формат 60х84 1/16
Бумага офсетная. Печать на ризографе. Печ.л. 1,0.
Тираж 100. Заказ
Отпечатано с оригинал-макета в лаборатории
множительной техники издательства УГГУ
620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева,30
Уральский государственный горный ун-т.
*Углы падения контактов отсчитываются от западного направления линии профиля.
