Горные породы

ВВЕДЕНИЕ.

Горными породами называются плотные или рыхлые агрегаты, слагающие  земную кору и, состоящие из однородных или различных минералов и обломков других пород. Горные породы образуются в результате геологических процессов, происходящих в недрах земной коры или на ее поверхности. Горные породы делятся на три основные группы: изверженные или магматические, осадочные и метаморфические. Рассмотрим кратко приведенные три вида.

 Магматические породы  образуются в результате остывания  и затвердевания магмы как  на глубине, внутри земной коры, так и на земной поверхности  после излияния. В зависимости  от этого они делятся на глубинные, или  интрузивные, и излившиеся или эффузивные. В свою очередь интрузивные породы также подразделяются на абиссальные т.е. застывшие на большой глубине и гипабиссальные, застывшие на небольшой глубине. Эффузивные породы, не подвергшиеся изменению, называются кайнотипными, а претерпевшие изменения, более древние - палеотипными. Магматические породы отличаются по химическому и минералогическому составу, а также по физическим свойствам. Различие в химическом составе определяется содержанием кремнекислоты (SiO2) в породе. По этому признаку интрузивные и эффузивные породы разделяют на кислые(SiO2 75-65%); средние (65-52%) ; основные(52-40%) и ультраосновные (<40). Степень кислотности характеризуется также цветом и относительной плотностью породы. Цвет зависит от наличия таких цветных минералов в породе, как биотит, авгит и другие. Чем кислее породы тем они светлее.  Рассмотрим представителей магматических горных пород. Например: гранит, полевой шпат, кварц.

Метаморфические горные породы: образовались в результате изменения осадочных или изверженных пород при метаморфизме с полным или значительным изменением минералогического состава, структуры и текстуры. Метаморфизм, в переводе с греческого языка, означает (подвергнутый превращению) и связан с изменением структуры минералогического и химического составов горных пород в земной коре под влиянием температуры, давлений и химических воздействий. Под влиянием высокой температуры и давления изверженные породы превращаются в сланцевые, а осадочные породы приобретают кристаллическую структуру. Таким образом, горные породы претерпевая изменения, приобретают новые свойства. Метаморфические превращения осадочных горных пород начинаются на глубине 3-5 км и усиливаются с глубиной под действием повышающихся  температур и давлений. К метаморфическим горным породам относятся; кварциты, мраморы, яшмы, сланцы, кристаллические известняки и другие минералы.

Осадочные горные породы: образовались в результате осаждения органических и неорганических веществ на дне водных бассейнов и на поверхности Земли с последующим их уплотнением и изменением. Мельчайшие частицы раздробленных водой и ветром изверженных пород, а также остатки животных и растительных организмов при осаждении образовывали слои и пласты. Эти породы по способу образования подразделяют на обломочные (механические осадки), породы химического и смешенного происхождения. Осадочные горные породы - наиболее распространенные т.к. они покрывают около 75% всей Земной поверхности и составляют-10% массы Земной коры или как ее еще называют - литосферы. В соответствии со способами образования осадочных горных пород, их можно и нужно описывать в определенной последовательности, а именно: обломочные, породы химического происхождения, железистые породы, породы органического происхождения и породы смешанного происхождения.

ГЛАВА 1. ПОДВИЖНОСТЬ ГОРНЫХ ПОРОД.

В соответствии с основными положениями теории глобальной тектоники плит, литосфера Земли представляет собой относительно жесткую оболочку, "плавающую" на поверхности достаточно вязкой мантии. Эта оболочка разбита региональными тектоническими нарушениями на ряд крупных литосферных блоков, линейные размеры которых достигают нескольких тысяч километров; эти, так называемые мегаблоки находятся в постоянном движении относительно друг друга. Каждый литосферный блок, в свою очередь, разбит на множество более мелких структурных блоков системами региональных и локальных тектонических нарушений, по которым также происходят тектонические подвижки. Таким образом, реальный массив горных пород представляет собой сложную иерархически блочную среду, каждой структурной единице которой присущи свои деформационные характеристики, каждая структурная единица которой находится в постоянном движении относительно окружающих ее структурных единиц. Уже установлено, что тектонические нарушения даже невысокого ранга обладают достаточной подвижностью, которая носит как трендовый направленный характер, так и представлена динамическими колебаниями различной природы.

 В настоящее время  достаточно хорошо известно о  движениях литосферных плит, происходящих по таким крупным живущим разломам как Сан-Андреас в Калифорнии, Северо-Анатолийский в Турции и др. Изучение современных движений земной поверхности производится путем постоянного переопределения пространственных координат специальных мониторинговых станций. В настоящее время существует не менее 25 специальных мониторинговых сетей, таких как сеть IGS - International GPS Service, объединяющих в общей сложности более 1000 обсерваторий, расположенных на всех континентах Земли. Согласно данным инструментальных наблюдений ( http://sopac.ucsd.edu), трендовые скорости перемещения литосферных плит и подвижек по региональным разломам примерно одинаковы, и составляют для разных мест наблюдений от 10 до 50 мм/год. Кроме трендовой составляющей достаточно четко прослеживаются несколько короткопериодных составляющих с периодами 300, 100, 20 и менее суток.

 Поскольку, согласно традиционной точки зрения современные движения литосферных плит происходят в основном по их границам, а также во внутриплитных сейсмоактивных областях, на остальной территории Земли массив горных пород в большинстве случаев представляется как среда статическая и незыблемая. Однако, как показывают исследования, даже на небольших участках массива имеют место деформационные процессы с различными периодами и амплитудой. Такие процессы, происходящие в земной коре, сопряжены с серьезной опасностью для объектов, оказавшихся в зоне влияния подвижных тектонических структур. Наиболее контрастно это проявляется на протяженных объектах, таких как магистральные нефтепроводы и газопроводы, подземные коллекторы и т.п., которые, в силу своей геометрии, непременно пересекают множество тектонических нарушений разных рангов.

Так, подвижность земель развивается под влиянием различных сил: гравитации, движения вод и ветра. На склонах горных ландшафтов развиты все виды подвижности земель. Они часто являются основной причиной безлесья обширных территорий.

Крип с большей скоростью перемещения материала происходит на горных породах, содержащих воду, под влиянием колебания температуры и многократного перехода воды из жидкого состояния в твердое. Крип обычен в районах с вечной мерзлотой. Образовавшийся лед приподнимает глыбы нормально к поверхности склона и опускает вертикально вниз. Такое медленное, незаметное для глаза, перемещение материала происходит даже при небольших уклонах. По этой причине глыбово-каменные потоки приурочены к ложбинам и лощинам склонов гор.

Древостой лиственницы на медленном глыбово-каменном крипе не достигают большого возраста. Повсюду наблюдаются поваленные или сломанные глыбами стволы деревьев.

Одним из признаков развития медленного крипа является саблевидная форма стволов деревьев. Изгиб направлен в сторону падения склона. Нижние части стволов кедрового стланика на быстром крипе часто стелются вниз по склону, затем изгибаются вверх, стремясь принять вертикальное положение.

Дефлюкция и солифлюкция развиты в районах с вечной мерзлотой. Водонасыщенный слой мелкозема, связанный дерниной, перемещается вниз по склону и образует характерные складки сползания. Дефлюкция захватывает большую мощность отложений.

Быстрые гравитационные перемещения материала — осыпи и обвалы наблюдаются в случае подрезания основания склона земляными работами или боковой эрозией рек. Осыпавшийся и обвалившийся материал образует у основания склона конус осыпи. Характерно, что более мелкие обломки откладываются в верхней, а более крупные - в нижней части осыпи. Крупные изометрические глыбы породы часто откатываются на некоторое расстояние от осыпи.

На склонах, подверженных осыпанию, часто вообще отсутствует растительность или она имеет фрагментарный характер, формируясь на относительно слабоподвижных частях склонов. Хорошо известны подмываемые рекой безлесные борта долин рек, которые называются ярами. В верхней части яра на поверхность выходят горные породы различных горизонтов это естественный разрез земной коры. Естественное обнажение горных пород является стенкой отрыва. Со словом яр связано название многих населенных пунктов России (Красноярск, Белоярск, Белый Яр, Веселоярск, Красный Яр, Сытный Яр, Яр, Ярцево, Ярославль).

Специфическими, очень быстрыми перемещениями материала являются селевые потоки, сели. Они приурочены к вогнутым склонам и долинам водотоков. Сель возникает в результате перенасыщения отложений в верхней части долины водой в результате обильных осадков. Кашеобразная масса материала стекает вниз по склону. Материал, перемещаемый селем, различен по величине от тонкого мелкозема до крупных глыб горной породы. Селевые конуса выноса - достаточно богатые и плодородные земли (Алма-Ата).

Гравитационные «сползания» материала очень разнообразны по своей природе. Они зависят от крутизны склонов, состава горных пород и других факторов. В совокупности это приводит к тому, что склоны гор сильно различаются по выраженности гравитационных процессов.

В совокупности с делювиальным смещением материала гравитационные движения прямо и непосредственно влияют на растительность и, в первую очередь, на сплошность растительного покрова. Пихтовые леса на склонах гор Забайкалья часто имеют куртинный характер. Кедровые леса на курумах характеризуются редкостойностью, часто деревья далеко отстоят друг от друга, низкорослы, ветвисты с низко опущенными густыми кронами.

ГЛАВА 2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОДВИЖНОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД.

Одними из первых с проблемой исследования горных пород и их подвижности столкнулись организации, занимающиеся эксплуатацией магистральных протяженных объектов. В настоящее время по территории Российской Федерации проложено более 200 тыс. км. магистральных нефте- и газопроводов, которые неминуемо пересекают множество региональных и локальных тектонических разломов. По имеющейся статистике, около 80% всех аварий магистральных продуктопроводов приурочены к определенным местам - местам пересечения ими тектонически нарушенных зон. Причем, отмечается достаточно высокий процент повторяемости аварийных событий на одних и тех же участках - повторяемость двукратных аварий на одном и том же локальном участке достигает 75-80%, а повторяемость трех- и более кратных доходит до 95%. Ярким примером подобного рода аварийности служит 40-километровый участок магистрального 9-и ниточного газопровода в районе г. Краснотурьинск, на котором за период с 1990 по 1995 г.г. произошло 45 аварий, что составило около 90% всех аварий РАО "Газпром" за этот период. С 1996 г. аварии на данном участке практически прекратились, по-видимому, массив горных пород уже реализовал всю накопленную им энергию и в настоящее время происходит новый цикл ее накопления. Также, по имеющейся статистике, к локальным тектоническим разломам приурочены аварии других протяженных инженерных объектов - коллекторов, систем канализации и водоснабжения и др.

 При расследовании  причин подобных аварийных ситуаций  было установлено, что технологические  параметры, такие как качество  металла и железобетонных конструкций, сварных швов, изоляции и пр. не  являются истинными причинами  многократных аварий. Как правило, дефекты строительства магистральных  сооружений проявляются первые  полгода - год эксплуатации, далее  отказы происходят в основном из-за старения конструкции . Было установлено, что истинными причинами многократных порывов и разрушений магистральных сооружений являются некие факторы, приводящие к снижению технологических усталостных свойств стали труб и железобетонных конструкций. По результатам внутритрубных исследований магистральных продуктопроводов было определено, что около 70% всех дефектов относятся к категории "потери металла", которая включает в себя трещины, каверны, коррозию и прочее. Также интересен тот факт, что на трубопроводах, изготовленных из более пластичных материалов, трещины появляются только через 25 лет эксплуатации, тогда как на трубопроводах, изготовленных из высокопрочных материалов, трещины появляются через 3-4 года эксплуатации. Таким образом, анализируя вышесказанное, можно предположить, что причиной большинства аварий на магистральных трубопроводах оказываются подвижки земной поверхности, которые реализуются по границам тектонических блоков разного иерархического уровня.

 Как выяснилось позже, геодинамическую активность тектонических  нарушений как фактор формирования  напряжений в заглубленных конструкциях  рассматривают и другие исследователи. Впервые интенсивные локальные  аномалии вертикальных и горизонтальных  движений, приуроченных к зонам  разломов различного типа и  порядка, в том числе и в  считающихся асейсмичными равнинно-платформенных областях, отмечены в работах Ю.О. Кузьмина . Эти аномальные движения высокоамплитудны (50-70 мм/год), короткопериодичны (0.1-1 год), пространственно локализованы (0.1-1 км) и обладают пульсационной и знакопеременной направленностью. Также следует отметить работы, выполненные исследователями научно-практического центра "Сургутгеоэкология". Ими было установлено, что заглубленные протяженные конструкции испытывают статические напряжения за счет смещений тектонических блоков в коренных породах и динамические разнонаправленные напряжения, вызванные приливными колебаниями земной коры, причем, по имеющейся статистике, количество аварийных ситуаций на продуктопроводах, локализованных на отдельных участках в пределах геодинамических структур, доходит до 80 и более процентов. Связь между современной геодинамикой и аварийностью нефте- и газопроводов прослеживают и другие специалисты .

 Специалистами "Сургутгеоэкологии" было установлено, что локальные геодинамические структуры проявляют себя как локальные разломы в осадочном чехле. Они проявляются на поверхности в виде линеаментов в ландшафте, в их пределах проявляется повышенная трещиноватость и проницаемость, аномалии магнитного поля и гамма фона, повышенная концентрация радона и продуктов его распада в приземном слое атмосферы. Ширина выделенных геодинамических структур колеблется в пределах 100 - 500 метров, причем концентрированное проявление динамики деформационных процессов происходит в межблоковой части. Эти данные были экспериментально подтверждены в процессе исследования геодинамических процессов на полигонном участке, расположенном в 17 километрах севернее города Сургут, в период с 1998 по 1999 г.г. и проверены в ходе выполнения исследовательских работ на участке Восточно-Таркосалинского месторождения.

 На сургутском полигонном участке был исследован участок законсервированного нефтепровода, пересеченного локальным тектоническим разломом субмеридионального простирания. На данном участке, в ходе эксплуатации продуктопровода, наблюдались многократные повторяющиеся аварийные ситуации. Так как на данном участке наблюдалось хорошее сцепление трубы с породным массивом, то система трубопровод - порода рассматривалась как сплошная деформируемая среда. Для оценки изменений напряженного состояния в разломных зонах и исследовании динамики деформационных процессов был проведен комплекс исследований, в которых трубопровод использовался в качестве индикатора процессов, происходящих в породном массиве.