Формы залегания горных пород. Тектонические дислокации

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛЗУЧЕСТИ ГРУНТОВ

2.3.1.Описание лабораторной установки, выполнение работы и обработка результатов.

Для выявления крепящего действия различных дисперсионных сред на вскрываемые горные породы провидятся исследования на ползучесть на установке, имитирующей горное давление по одноосному сжатию.

Схема установки дана на рис.З.

Испытуемый образец горной породы диаметром d=0,004 м и высотой h=0,002 м (готовится путем прессования в специальной пресс- форме при усилии до 3,0 Па из предварительно измельченной и просеянной глины) помещается в специальную обойму, подвергается удельной нагрузке в 1,6 Па, заливается одним из трех исследуемых растворов. Затем индикатор линейной деформации устанавливается на ноль и включается секундомер. Через определенный отрезок времени фиксируется линейная деформация в мм.

В качестве дисперсионной среды используют дистиллированную воду, раствор сильного электролита, например,5%-ный раствор Na₂SiO₃ или NaOH, раствор вещества крепящего действия, например,10%-ный раствор Na₂SiO₃,или 1,5%-ный раствор полиакриламида (ПАА), или 5%-ный раствор карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ).

Результаты заносят в таблицу. По результат строят график деформационных изменений образца во времени в разных дисперсионных средах.

Пример оформления результатов работы:

Среда	Вода	Время, мин
Деформация, мм
Раствор электролита	Время, мин
Деформация, мм
Ингибирующий раствор	Время, мин
Деформация, мм

По результатам из таблицы строят график зависимости деформации в мм от времени в мин

2.3.2.Содержание отчета

Отчет к лабораторной работе должен содержать название работы, цель работы, необходимое оборудование, результаты опытов в виде таблицы, графики деформации образцов в трех средах, выводы об устойчивости образцов и крепящей действии растворов.

Библиографический список

1.Городнов В.Д. Физико-химические методы предупреждения осложнений в бурении. М.: Недра,1984.

2.Михеев В. Л. Технологические свойства буровых растворов. М.: Недра,1979.

3.Соловьев Е.М. Заканчивание скважин. М.: Недра,1979.

4.Середа Н.Г., Соловьев Е.М. Бурение нефтяных и газовых скважин. М.: Недра,1988.

Слой и слоистость
Первичное и нарушенное залегание слоёв
Пликативные дислокации горных пород
Разрывные нарушения (дизъюнктивные дислокации)

Слой и слоистость

Осадки и образующиеся при их диагенезе осадочные породы накапливаются в понижениях рельефа (на дне океанов и морей, озёр, в речных длинах, межгорных депрессиях и пр.) и, как правило, первоначально обладают горизонтальным залеганием. Образуемые ими уплощенные геологические тела называют слоями.

Слой – это уплощенное геологическое тело относительно однородное по составу и строению, ограниченное приблизительно параллельными поверхностями раздела.

Верхняя граница слоя называется кровлей, нижняя - подошвой.

Примечание. Помимо термина «слой», часто употребляется термин «пласт», имеющий аналогичное значение, но обычно применяемый для полезных ископаемых, например угля, известняка и др.

Расстояние между кровлей и подошвой слоя определяет мощность данного слоя. Различают два вида мощности: истинную мощность - кратчайшее расстояние между кровлей и подошвой пласта (по перпендикуляру) и видимую мощность - любое другое (не кратчайшее) расстояние между подошвой и кровлей.

Чередование слоёв определяет слоистое строение толщ осадочных пород.

Группы слоёв, обладающие некоторой общностью признаков, отличающих их от смежных по разрезу слоёв (или групп слоёв) объединяют в пачки. Такая общность может быть связана с особенностью строения (повторяющееся на некоторой мощности разреза переслаивание двух или более разновидностей пород), отличием в литологическом составе (обогащённость минеральными компонентами, ожелезнение и пр.) или другими признаками, визуально выделяющими группу слоёв из общей мощности толщи.

Рисунок - Фрагмент обнажения с горизонтально залегающими слоями. Группы слоёв объединены в пачку.

Внутри слоёв нередко отмечается тонкое строение, выражающееся в чередовании частых тонких слойков (толщиной от долей мм до 1-2 см), различающихся по структуре составляющих породу компонентов, их минеральному составу или примесям. Такой элемент внутреннего строения слоёв называют слоистость (или слойчатость).

Форма слоистости отражает характер движения среды, в которой происходит накопление осадка.

Выделяют четыре основных типа слоистости: параллельную (горизонтальную), волнистую, косую, линзовидную.

Параллельная слоистость, когда поверхности наслоения параллельны, свидетельствует об относительной неподвижной среде, в которой накапливался осадок. Такие условия возникают в озёрах или морских бассейнах ниже уровня действия волн и течений.

Волнистая слоистость имеет волнисто-изогнутые поверхности наслоения. Она формируется при движениях, имеющих периодическую смену в одном направлении, например при отливах, приливах, прибрежных волнениях в мелководных зонах моря.
Линзовидная слоистость образуется при быстром и изменчивом движении водной или воздушной среды, например в речных потоках или приливно-отливной полосе моря. Она характеризуется разнообразием форм и изменчивостью мощности отдельных слоёв. Часто происходит выклинивание слоя, что приводит к его разобщению на отдельные части или линзы. Генетически тесно связана с волнистой.

Косой слоистостью называют слоистость с прямолинейными и криволинейными поверхностями наслоения и с различными углами мелкой слоистости внутри слоя. Она образуется при движении среды в одном направлении, например реки, потока, морского течения или движения воздуха. В речных потоках косая слоистость имеет общий наклон в сторону движения воды. Дельтовая разновидность косой слоистости более крупная и отличается плавным причленением косых слоёчков к подошве слоя, а у кровли косые слоёчки исчезают, и появляется более грубый материал. Косая слоистость морских отложений характеризуется также более крупными размерами и сравнительно небольшим наклоном. На мелководье образуется очень тонкая, переплетающаяся косая слоистость, ориентированная в различных направлениях.

Типы слоистости: I - волнистая (вверху - линзовидная), II - горизонтальная, III - косая

Информация об условия накопления исходного осадка отражается и в текстурных особенностях поверхности напластовая слоёв. К числу таких особенностей относятся: ископаемые знаки ряби, первичные трещины усыхания, следы жизнедеятельности организмов, отпечатки дождевых капель, кристаллов льда и др. (см. фотоизображения)

Первичное и нарушенное залегание слоёв

Большая часть осадков образуется в морских или континентальных водоёмах или на прибрежных равнинах. Залегание осадков при этом практически горизонтальное (угол наклона не более 1^o). Такое залегание называют первичным. Первичное залегание с более крутым залеганием пород, достигающем 3-4^o, а иногда 10^o может возникнуть на склонах наземных и подводных возвышенностей, каньонов, уступов. Первичное залегание осадочных пород сохраняется сравнительно редко и нарушается последующими тектоническими движениями, что приводит к их наклонному залеганию, образованию складчатых и разрывных нарушений.

Слои могут иметь согласное и несогласное залегание по отношению друг к другу. В случае согласного залегания каждый вышележащий слой, без каких либо следов перерыва в накоплении осадков налегает на нижележащие породы. Несогласное залегание образуется тогда, когда между вышележащим и подстилающим слоями отмечается перерыв в осадконакоплении и стратиграфическая последовательность нарушена. Несогласное залегание может быть параллельным, когда пласты, несмотря на перерыв в отложении осадка, сохраняют параллельное залегание и угловым, когда одна толща лежит с перерывом по отношению к другой под определённым углом. Например, когда на смятом в складки пласте известняка горизонтально залегает слой песчаника. Выявление стратиграфических несогласий является одной из наиболее важных задач геологического картирования и проводится с использованием следующих признаков:

1. характерное строение поверхности несогласия, имеющей неровности, вымоины, уступы;

2. угловое несогласие между слоями разного возраста;

3. резкий возрастной разрыв между фауной в выше- и нижележащих слоёв;

4. резкое различие в степени метаморфизма двух соприкасающихся слоёв;

5. присутствие базального конгломерата в основании несогласно залегающей серии пород;

6. резкий переход от морских к континентальным отложениям и наоборот;

7. следы выветривания на поверхности несогласия.

Пликативные дислокации горных пород

В результате действия пластических деформаций горных пород возникает нарушенное залегание слоёв земной коры без видимого разрыва их сплошности. Такие формы нарушений называют пликативными дислокациями. К ним относится образование моноклиналей, складок и флексур.

Моноклинальное залегание образуется тогда, когда горизонтально залегающие породы в результате тектонических движений приобрели наклон под одним углом на значительном пространстве. Моноклиналь это наиболее простая форма пликативных дислокаций, широко проявлена в чехлах молодых и древних платформ. Существуют слабонаклонные (до 15^o), пологие (16-30^o), крутые (30-75^o), поставленные на голову (80-90^o) моноклинали.

Складчатые деформации или складки - это волнообразные изгибы пластов без разрыва сплошности пород. Этот тип дислокаций проявлен наиболее широко. Во всех типах складок различают несколько основных элементов.

Часть складки в месте перегиба слоёв называется замком, сводом или ядром. Крылья - боковые части складок, примыкающие к своду. Угол складки - угол, образованный линиями, являющимися продолжением крыльев складки. Осевая поверхность складки - воображаемая плоскость, проходящая через точки перегиба слоёв и делящая угол складки пополам. Осевая линия (ось складки) - линия пересечения осевой поверхности с горизонтальной плоскостью или с поверхностью рельефа. Осевая линия характеризует ориентировку складки в плане и определяется азимутом простирания. Шарнир складки - линия пересечения осевой поверхности складки с поверхностью одного из слоёв, составляющих складку. Он характеризует строение складки вдоль осевой поверхности (по вертикали) и определяется азимутом и углом погружения или воздымания. Размеры складок характеризуются длиной, шириной, высотой. Длина складки - это расстояние вдоль осевой линии между смежными перегибами шарнира. Ширина складки - расстояние между осевыми линиями двух соседних антиклиналей или синклиналей. Высотой складки называется расстояние по вертикали между замком антиклинали и замком смежной с ней синклинали.

Элементы залегания складок

Складки, пласты которых выгнуты кверху, называются антиклиналями. У этих складок в ядре на дневной поверхности обнажаются более древние породы, а на крыльях - более молодые и они наклонены от ядра. Складки, пласты которых прогнуты книзу, называются синклиналями. У них в ядре обнажаются более молодые породы, и крылья наклонены к ядру. Это две основные формы складок.

В зависимости от положения осевой поверхности в пространстве выделяют следующие разновидности складок.

Прямые складки - осевая поверхность вертикальна, а крылья падают в разные стороны под одинаковыми углами.

Наклонные складки - осевая поверхность наклонена к горизонту, а крылья падают в разные стороны под разными углами.

Опрокинутые складки - осевая поверхность круто наклонена, а крылья падают (наклонены) в одну сторону под разными углами. В этих складках различают нормальное и опрокинутое крылья.

Лежачие складки - осевая поверхность параллельна горизонтальной поверхности. Крылья наклонены в одну сторону под одним углом.

Классификация складок по положению осевой плоскости

Форма складок зависит также от соотношения крыльев и замка. В зависимости от этого складки могут быть острыми, когда крылья образуют острый угол (до 90^o), тупыми, с углом более 90^o, изоклинальными, с параллельным расположением крыльев и тупым замком, веерообразными, с пережимом крыльев, сундучными с пологим широким замком.

В продольном сечении складки бывают линейными, у которых длина превышает ширину более чем в три раза, брахиформными, с отношением длины к ширине меньше трёх и куполовидными, с примерно одинаковыми размерами длины и ширины складки.

Шарнир складки по простиранию часто испытывает погружение или воздымание и представляет не прямую, а волнистую линию. Это явление называется ундуляцией. В этом случае наблюдается замыкание складки, когда одно крыло вдоль оси постепенно переходит в другое. В антиклинальных складках такое замыкание называется периклинальным, а в синклинальных - центриклинальным.

Разновидностями антиклинальных складок являются диапировые складки и соляные купола. Их образование связано с присутствием в ядрах этих складок пластичных пород (глин, солей, гипса), которые, под действием огромного давления вышележащих пород, выжимаются и внедряются в эти породы, образуя пологий свод и крутые боковые поверхности.

Диапировая складка: 1 - вмещающие породы, 2 - пластичные породы ядра, 3 - соляная шляпа, 4 - разрывные нарушения

Наиболее широко развитыми разновидностями диапировых складок являются соляные купола и глиняные диапиры. В соляных куполах различают ядро, сложенное пластичными породами и более хрупкие вмещающие породы. Ядро носит черты активного протыкания, а вмещающие породы пассивно приспосабливаются к движению ядра. Очень часто соль в ядре имеет форму цилиндрического столба, образуя «соляной шток». При внедрении соляных масс свод купола подвергается растяжению и в нём, могут возникнуть многочисленные трещины и разломы. С соляными куполами часто связаны промышленные скопления нефти и газа. Формирование диапировых складок, по данным Ю.А.Косыгина, а также американских исследователей Бартона, Нельтона и других, происходит лишь там, где мощность пластичных пород составляет не менее 120 м, а глубина их залегания превышает 300 м. Пластичные породы, будучи вовлечены в процесс сжатия, в месте с окружающими их хрупкими породами выжимаются из крыльев в ядра антиклиналей. При благоприятных условиях они могут прорвать перекрывающие породы и образовать диапировые складки.

Соляной купол (по Бенцу)

Складки часто собраны в группы и образуют параллельные, кулисообразные, четковидные, пучкообразные сообщества. Сложные линейно-складчатые структуры образуют синклинории и антиклинории. Антиклинории – это крупные, сложнопостроенные антиклинальные структуры, протяженностью сотни и даже тысячи километров. Они включают множество более мелких антиклинальных и синклинальных складок. Примером является мегантиклинорий Большого Кавказа. Синклинории – это такие же крупные, сложнопостроенные, но в целом синклинальные структуры, осложненные синклинальными и антиклинальными складками более низких порядков. Сочетание антиклинориев и синклинориев образует горные хребты и горные системы, такие как Альпы, Кавказ, Тянь-Шань и др.

Разновидностью крупных складок являются флексуры, которые представляют собой коленообразные или ступенчатые перегибы слоёв или пластов. В области перегиба мощности слагающих флексуру пластов несколько уменьшаются и часто возникают разрывы. Части флексуры, расположенные по обе стороны от перегиба называются крыльями. Выделяется смыкающее крыло, оставшееся на месте и нижнее - опущенное крыло. Вертикальная амплитуда смещения может составлять десятки, и даже сотни метров. Флексуры обычно ограничивают крупные платформенные структуры, такие как синеклизы, краевые прогибы и др.

Разрывные нарушения (дизъюнктивные дислокации)

Тектонические движения иногда приводят к разрыву сплошности пластов горных пород и образованию разрывных нарушений или дизъюнктивных дислокаций. Различают нарушения без существенного смещения по ним и нарушения со смещениями.

Нарушения без смещения и с незначительными перемещениями, не более нескольких сантиметров, называют трещинами. В совокупности они образуют трещиноватость в горных породах. Различают трещины, образовавшиеся в связи с внутренними процессами измерения вещества породы, так называемые первичные трещины, и трещины, которые образованы в связи с внешними воздействиями на породы – трещины тектонического происхождения и экзогенного происхождения (трещины, оползней, обвалов, отслаивания и др.).

Первичная трещиноватость осадочных толщ является следствием литификации (в связи с увеличением объема горной породы при гидратации составляющих породу минералов, либо в связи с уменьшением объема при высыхании первоначально влажных осадочных отложений и пр.). В результате этого каждый слой осадочной породы обычно расчленяется трещинами отрыва, субперпендикулярными плоскости напластования, которые в совокупности с границами раздела слоев образуют естественную отдельность. Первичная трещиноватость пород магматической серии является прототектонической, обусловленной главным образом развитием трещин в остывающем магматическом теле. Протектоническая трещиноватость в зависимости от состава и условий кристаллизации магматического расплава дает различные формы отдельности: матрацевидную в гранитах, подушечную в диабазах, плитообразную в лавовых потоках кислых пород, столбчатую или призматическую в базальтах.

Тектонические трещины являются результатом деформации горных пород. При внешнем воздействии на тело последнее подвергается пластической деформации («течению»), а при превышении предела прочности – хрупкой деформации с образованием трещин. В геологической среде пластические деформации проявляются в образовании складчатости (перекристаллизации при метаморфизме и пр. явлениях), хрупкие – в образовании трещин и разломов. К нарушениям со смещением относятся сбросы, взбросы, сдвиги и надвиги. Элементами тектонических нарушений являются: сместитель, крылья, угол наклона сместителя амплитуды смещения. Сместитель – это плоскость, по которой происходит смещение. Угол наклона сместителя может варьировать от нескольких градусов до 80-90o. Крылья – блоки пород, расположенные по обе стороны сместителя. При наклонном положении сместителя крыло, которое располагается над ним, называется висячим крылом, а расположенное под ним – лежачим. Амплитуда смещения – величина относительного перемещения пластов. Различают амплитуду смещения по сместителю, вертикальную, горизонтальную, стратиграфическую.

Одной из наиболее характерных форм разрывных нарушений является сброс. Это нарушение, у которого сместитель наклонён в сторону опущенного крыла (независимо от того, является оно висячим или лежачим). Если же сместитель наклонен в сторону приподнятых пород и уходит под них, то такое нарушение называется взброс. В отличие от описанных типов нарушений сдвигом называется разрывное нарушение, у которого перемещение происходит преимущественно в горизонтальном направлении, а сместитель расположен вертикально. Часто (или почти всегда) сбросы и сдвиги проявляются совместно и называются сбросо-сдвигами и сдвиго-сбросами.

Надвигом называется дислокация с разрывом пластов и надвиганием одного крыла на другое по относительно пологой или горизонтальной плоскости. Это нарушение взбросового типа, возникающее обычно вместе со складчатостью. Выделяют крутые (более 45^o), пологие (менее45^o) и горизонтальные надвиги. Эти структуры широко проявлены в складчатых областях. Надвиг с большим горизонтальным перемещением называется шарьяжем, у которого висячее крыло может перемещаться на многие километры и даже на десятки километров.

Сбросовые нарушения часто проявляются в виде систем сбросов и взбросов. При этом образуются своеобразные структуры.

Грабен – опущенный участок земной коры ограниченный параллельными сбросами значительной протяжённости.

Горст – приподнятый участок земной коры, заключенный между параллельными разломами.
Несколько параллельных ступенчато расположенных грабенов образуют сложный грабен. Это относится к структурам Великих африканских озёр (Танганьика, Альберта, Рудольфа), рифту Красного моря, рифту озера Байкал, Рейнскому грабену и др.
Наиболее крупные надвиги и шарьяжи, характеризующиеся перемещениями пород на десятки километров по пологим, горизонтальным и волнистым поверхностям называются покровами. В покровах выделяются перемещённые массы висячего крыла, называемые аллохтоном, и оставшееся на месте лежачее крыло, называемое автохтоном. Покровы развиваются в областях со сложным покровно-складчатым строением (в Альпах, Апеннинах, Гималаях, Карпатах, на Большом Кавказе и других областях).