Методика физико-геологического моделирования объектов с переменной плотностью и намагниченностью

Виноградов, Владислав Борисович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Методика физико-геологического моделирования объектов с переменной плотностью и намагниченностью
ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Методика физико-геологического моделирования объектов с переменной плотностью и намагниченностью"

На правах рукописи

ВИНОГРАДОВ Владислав Борисович

МЕТОДИКА ФИЗИКО-ГЕОЛОГИЧЕСКОГ О МОДЕЛИРОВАНИЯ ОБЪЕКТОВ С ПЕРЕМЕННОЙ ПЛОТНОСТЬЮ И НАМАГНИЧЕННОСТЬЮ

Специальность: 25.00.10 - «Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

3 О П Lf

Екатеринбург - 2008

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»

Научный руководитель - доктор геолого-минералогических наук,

профессор, заслуженный геолог Российской Федерации Филатов Владимир Викторович

Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических наук,

доцент Писецкий Владимир Борисович

кандидат геолого-йинералогических наук Глухих Игорь Иванович

Ведущая организация - Горный институт УрО РАН

Защита диссертации состоится «25» декабря 2008 г. в 1400час. 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 учебный корпус, ауд. 3326.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»

Автореферат разослан «24» ноября 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного ¡, _ /

совета ■^zzjvyi-I -b-v-v^y А.Б. Макаров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Восполнение запасов полезных ископаемых требует совершенствования теории и методики геофизических исследований на всех этапах геологоразведочных работ. Создание новых способов и методик истолкования геофизических полей позволяет эффективно решать сложные геологические задачи. Актуальность работы обусловлена тем, что решение прямой задачи для сред с произвольным законом изменения свойств позволяет изучать участки со сложным геологическим строением, а изучение напряженного состояния геологической среды расширяет круг решаемых задач в условиях сокращения рынка геофизических услуг. Всестороннее изучение геологической среды позволяет полнее использовать имеющиеся ресурсы.

Цель и задачи работы. Цель работы - создание методики описания распределения плотности и намагниченности, адекватно отражающей реальную геолого-геофизическую ситуацию, предоставляющую возможность расчета полей и оценки напряженного состояния среды по гравитационному и магнитному полям.

Для достижения цели были решены следующие задачи:

- разработана методика аппроксимации геологической среды с непрерывным пространственным изменением плотности и намагниченности, отличающаяся возможностью оценки точности приближения;

- получены формулы расчета гравитационного и магнитного нолей для тел с латеральной и вертикальной изменчивостью плотности и намагниченности с использованием кубических сплайнов;

- созданы программы для вычисления гравитационного и магнитного полей для геологической среды с произвольным законом пространственного изменения физических свойств;

- созданы программы для вычисления параметров напряженно-деформированного состояния среды (НДС) и выполнены расчеты компоненты тензора чистой деформации (КТД) и компоненты вектора смещения (КВС) для вышеназванных источников при различных параметрах тел (мощность, глубина до верхней и нижней кромки, угол падения, плотность и

др-);

- установлены отличительные особенности взаимосвязей пространственного распределения гравитационного поля и параметров НДС для различных геолого-геофизических обстановок. Выделены три группы объектов с различными типами таких взаимосвязей;

- разработана методика вычисления компонентов вектора смещения и тензора чистой деформации для выделенных групп тел по измеренным гравитационному и магнитному полям;

- по наблюденным потенциальным полям проведена оценка напряженно-деформированного состояния геологической среды для конкретных геологических ситуаций.

Защищаемые положения:

Первое защищаемое положение: кубические сплайны являются эффективным способом описания закономерностей пространственного изменения плотности и намагниченности геологических объектов.

Второе защищаемое положение: установлено три типа зависимости параметров напряженно-деформированного состояния среды и силы тяжести для тел простой геометрической формы: взаимно однозначная, корреляционная и многозначная.

Научная новизна. Получены выражения для вычисления напряженности гравитационного и магнитного полей горизонтального слоя и прямоугольного параллелепипеда, свойства которых заданы кубическими сплайнами. На этой основе разработана методика вычисления физических полей для произвольной геолого-геофизической ситуации.

Получены аналитические выражения компонентов тензора чистой деформации и компонентов вектора смещения упругого полупространства, напряженно-деформированное состояние которого обусловлено плотностными неоднородностями правильной геометрической формы (уступ, прямоугольный параллелепипед, пластина и др.).

Разработана методика оценки напряженно-деформированного состояния геологической среды по наблюденным геофизическим полям, отличающаяся более широким набором элементарных модельных тел и учетом характера взаимозависимостей силы тяжести и параметров напряженно-деформированного состояния геологической среды.

Апробация работы. Результаты проведенных исследований обсуждались на сессиях международного семинара им. Д.Г. Успенского «Вопросы теории и практики геологической интерпретации гравитационных, магнитных и электрических полей» (Днепропетровск, 1991, Ухта, 1998, 2008; Екатеринбург, 1999, 2002, 2006; Пермь, 2005), на конференции «Геофизические методы при разведке недр и экологических исследованиях» (Томск, 2002), на региональной научно-практической на конференции «Геология и полезные ископаемые Западного Урала» (Пермь, 2008).

созданным автором программным обеспечением для ЭВМ. Программы расчета параметров НДС после небольшой модификации используются Днепровской экспедицией.

Достоверность получаемых результатов основана на результатах расчетов, выполненных для теоретических моделей.

Фактический материал и личный вклад. Представленные в работе методики моделирования сложных геологических сред, программы расчета полей и параметров НДС созданы автором. Практические примеры их применения основаны на материалах предоставленных для выполнения хоздоговоров, а некоторые из них основаны на опубликованных в печати материалах, что оговорено в тексте.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, в том числе одна статья в журнале из перечня ВАК.

Объем работы и структура. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, общим объемом 105 страниц, 55 иллюстраций, 3 таблиц, списка литературы, включающего 110 наименований.

Работа выполнена в Институте геологии и геофизики УГГУ под руководством доктора геолого-минералогических наук В.В. Филатова, которому автор выражает благодарность за всестороннюю помощь и поддержку при выполнении работы.

Автор благодарит своих коллег В.И. Бондарева, С.М. Крылаткова, A.C. Долгаля, О.В. Зотеева, A.B. Давыдова, Ю.Н. Субботина, В.М. Сапожникова, В.В. Бабенко, В.А. Кочнева, чьими советами и помощью он неоднократно пользовался.

Автор выражает благодарность участникам семинара им. Д.Г. Успенского за обсуждение работы, сотрудникам объединения «Уралкалий», ПГО «Севвостгеология», ФГУП «Челябгеолсъемка», ОАО «Баженовская экспедиция», оказавшим помощь в процессе работы и предоставившим материалы для работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе проведен анализ литературных источников по теме диссертации, рассмотрены проблемы решения прямых задач для произвольной геолого-геофизической обстановки и оценки напряженного состояния геологической среды по гравитационному и магнитному полям.

Во второй главе приведена методика описания геологических поверхностей произвольной формы, эффективность которой подтверждена решением прямой задачи магниторазведки для конкретного примера. Предложена методика расчета гравитационных и магнитных полей с произвольным законом распределения плотности и намагниченности в пространстве. Рассмотрены соответствующие практические примеры.

В третьей главе рассмотрена взаимосвязь напряженного состояния верхней части земной коры и гравитационных аномалий тел правильной геометрической формы, для которых известны аналитические выражения

расчета аномальных эффектов. Выделены три группы геологических объектов с различными типами такой связи.

В четвертой главе описана методика моделирования геологической среды с целью вычисления параметров НДС по гравитационному полю и по магнитному полю с учетом формы геологических объектов.

В той же главе описаны примеры применения методик исследования, рассмотренных в предшествующих главах на разных стадиях геологического изучения: для исследования территории Карамкенского золоторудного месторождения, площади Верхнекамского месторождения калийных солей, Полетаевской площади.

Защищаемые положения

При проведении геологических исследований повсеместно отмечаются изменения вещественного состава пород, сопровождающиеся непрерывным изменением плотности и намагниченности (A.A. Логачев, Г.А. Соловьев, Л.Я. Ерофеев и др.). Непрерывное пространственное изменение плотности и намагниченности наблюдается на участках развития гидротермально измененных пород, в зонах разломов, на золоторудных, медноколчеданных, скарновых месторождениях и во многих других случаях.

В геологической практике встречается как скачкообразное, так и непрерывное изменение физических свойств (рис. 1). В прикладной геофизике при проведении интерпретации преимущественно используются модели с кусочно-постоянными свойствами. Подробно для эндогенных месторождений это явление рассмотрено Г.А. Соловьевым. Физико-геологические модели для отдельных типов месторождений с непрерывным латеральным изменением свойств предложены А.Н. Тимофеевым, Ю.П. Булашевичем, В.М. Новоселицким, Л.Я. Ерофеевым, З.М. Слепаком, В.И. Гольдшмидтом, В.Н. Страховым, А.И. Кобруновым и другими. Влияние формы объекта на распределение магнитных свойств рассмотрено Ю.И. Блохом. Закономерности изменения физических свойств под влиянием механических напряжений подробно рассмотрены В.В. Филатовым.

Однако использование для приближения тригонометрических и полиномиальных функций для описания пространственной изменчивости физических свойств оказывается эффективным только в сравнительно простых ситуациях. В сложных ситуациях требуются иные аппроксимирующие конструкции, которые до появления мощных вычислительных средств считались практически не реализуемыми. В 90-х годах XX века появилась возможность использовать алгоритмы, учитывающие сложное пространственное распределение плотности и намагниченности, в том числе обусловленное напряженным состоянием геологической среды.

Практика интерпретации потенциальных полей геологических объектов с изменяющимися в горизонтальном и вертикальном направлениях плотностью и намагниченностью в рамках модели кусочно-однородной среды приводит к грубым ошибкам определения глубины, мощности и других характеристик аномалиеобразующего объекта.

Рис. 1. Примеры латеральной изменчивости магнитных свойств: зависимость остаточной намагниченности образца от расстояния (Я) до оси разлома (по Л.Е. Шолпо) (а); изменение магнитной восприимчивости на золоторудном месторождении (по Л.Я. Ерофееву) (б)

Способы описания геометрии и физических свойств определяются конечной целью исследования. В астрофизических исследованиях необходимо установить закономерности пространственного изменения свойств, увязать их с изменением геологической обстановки. Поэтому в таких моделях должны присутствовать характерные параметры объекта: мощность, глубина, градиенты физических свойств и т.д. При решении прямых и обратных задач магниторазведки и гравиразведки возможность эффективного вычисления полей является главным критерием практической применимости методики моделирования на основе принятых математических конструкций.

В диссертации приведен пример расчета плотности магнитных зарядов по кровле и подошве рудного магнетитового тела Естюнинского железорудного месторождения на основе описания его поверхности сплайном. Результаты вычислений согласуются с данными наблюдений в скважине.

Автором предложены и детально разработаны способы описания геологических поверхностей в зависимости от их вида с помощью сплайн-функций различного типа: кубических, тригонометрических, параметрических [I]. Один из них - описание поверхности кубическим сплайном:

г(х)=а[+Ь1(х-х,)+с,(х-хУ +с1,{х-х,)3 , хе[х„ Хщ], (1)

где а„ Ъ-1, с„ ^ - коэффициенты сплайна; х-х - узлы сплайна; г(х) - аппликата поверхности. Выражение (1) включает в себя описание среды с неизменньми свойствами как частный случай, в этом случае три первых коэффициента сплайна равны нулю. Совместное применение кусочно-постоянных функций и сплайн-функций для описания поверхностей обеспечивает адекватное описание любой геологической поверхности.

Сплайнами удобно определять изменение физических свойств. Например, сплайн плотности имеет вид:

а(х)=а(х,)+Ь,{х-х,)+с,(х-х,) +с/,{х-х,) , хе[х„ х,+/].

(2)

Описание сплайнами закона изменения намагниченности в пространстве позволяет строить эффективные алгоритмы расчета магнитных полей вблизи аномалиеобразугощих тел [2].

Физико-геологические сплайн-модели позволяют заменить ранее упомянутые петрофизические модели А.Н. Тимофеева, Ю.П. Булашевича, Г.А. Соловьева и других авторов, что подтверждается проведенными расчетами и теоретическими преобразованиями (рис. 2). Для этого необходимо правильно выбрать расстояние между узлами сплайна, которое может быть вычислено теоретически. Например, для модели Г.А. Соловьева расстояние между узлами сплайна {Ах) определяется неравенством:

,4с, * 1

к; к;

-< Лх,

(3)

где Х\ЛХ - магнитная восприимчивость петрофизической г'-й зоны и ее избыток; - ширина г'-й переходной области между петрофизическими зонами.

А/м

Модель Булашевича

Модель Соловьева

20 40 60 80 100 X, м Рис. 2. Аппроксимация моделей латеральной изменчивости намагниченности А.Н. Тимофеева и Ю.П. Булашевича сплайн-моделями; точками на графиках показаны узлы сплайна

Сплайн модели (2) обеспечивают адекватное описание распределения плотности и намагниченности в самых различных геологических ситуациях (см. рис. 3).

Автором для моделей с законом изменения свойств (2) получены формулы расчета физических полей. В трехмерном случае получено решение прямой задачи гравиразведки в замкнутом виде для прямоугольного параллелепипеда, грани которого параллельны координатным плоскостям, а изменение плотности в горизонтальном направлении вдоль оси абсцисс определено

кубическим сплайном. В точках оси X (х,(),0) аномалия определяется формулой [6]:

Дг(*) = £

2 3 4 2

А'

+ а;

, ! 2и3 /'и е

- ш' - е --+ е----

4 13 16

1п/-

.. 2 2 „ 4 3 «! 6

I Ы I с! • / I Ы I с/ >

(4)

где х, - абсциссы узлов сплайна; х - абсцисса точки расчста; (=х-х0, м=у->\ х0, у0; го - координаты источника; з^г-го; /г = V? + иг + / ; е = у - у„ + Я; А\ = </,; Л, = с1 + ¿,.(1-1,); = -Д. -¿с^х-х^-З^Сх-х,)1, / = х - х0 + К; Л» = ст, .+6, (*-*,) +с, (х-х,)2 х,)3, | ^ | ы I с/ " характерные размеры

прямоугольного параллелепипеда по осям х, у, г, <т„ Ьь сь с1„ - коэффициенты сплайна плотности.

Зй 10* Си

б, г/см'

Рис. 3 Описание кубическими сплайнами латеральной изменчивости физических свойств: а - магнитных свойств пород в зоне влияния гранитного интрузивного массива (по В.В. Бродовому и др.); б - плотности в отложениях турнейского яруса Ямашинской структуры, в - плотности в отложениях ассельского яруса Улеминского поднятия (г) (по З.М. Слепаку)

Магнитное поле модели, состоящей из N параллелепипедов, намагниченность которых направлена вертикально, относительно мала и определена кубическим сплайном:

х <Х Ха)У-± + 1п(х-х0) + й) +

Уа г0Д

+о,ув2о(яЛагс18^-)) |;; | к | Уа Уо

(5)

ГДе I I ь7 I с/ ■ характерные размеры прямоугольного параллелепипеда по осям х, у, 2 .

Сеточная модель содержит параллелепипеды разных размеров незакономерно расположенных в пространстве. Формула для вычисления интенсивности

магнитного поля такой сеточной модели, состоящей из К параллелепипедов с латеральным изменением намагниченности, примет вид [10]:

С,(У-Уо)

г{х,у,0) = 100£^(х-х0)(у-у0){

"~Уо

агс1? -

(У-У0)Л +

агс/£

(х-х0)Л

У-у, я

—--С,.(у-у0)

х-х„

х-х.

агЛ -

+—^^з-^х-хл-вД+гсМ'-Ю + ЩЛ} I ьМ (6)

у-у о_

где Н = у1(х-ха)2 +(у-у0)2+ \ С, =д,-З^.г,; А, =е, - + цр] -¿¡г)

5, = А,. - 2?,.г,. + ; /),. = й,, - число звеньев сплайна в ¿-ом параллелепипеде, I ".I | " I ') ~ характерные размеры прямоугольного параллелепипеда по осям х у. г.

На основе трех моделей с изменением свойств в одном из трех взаимно перпендикулярных направлений строится модель геологической среды с трехмерным изменением физических параметров в пространстве. Например, закон изменения магнитной восприимчивости в каждой ячейке может быть задан в виде:

х(х) = ах' +Ьх2 л-сх^-Лу' +еу2 + +Ьгг + (7)

Данное выражение может описывать очень сложное изменение физического параметра в пространстве, к сожалению, его графическое представление затруднительно. Тем не менее для такой модели возможен расчет магнитного и гравитационного полей как суммы полей трех частных моделей с изменением свойств в одном направлении.

Обратная задача для таких моделей состоит в определении закона изменения физических свойств на заданной сети узлов, т. е. в отыскании коэффициентов кубического сплайна на заданной сети узлов. В работах В. Н. Страхова и М. А. Бродского установлена единственность решения обратной задачи в вышеприведенной постановке, если проведена точная непрерывная регистрация поля на изучаемом участке. Однако наблюдаемые поля всегда осложнены ошибками, наблюдения проводятся в узлах дискретной сети пунктов на ограниченном участке, поэтому решение всегда будет представлено семейством Е-эквивалентных по полю сплайнов намагниченности (плотности при интерпретации поля Дд). В тексте диссертации приведен пример построения семейства эквивалентных по полю решений обратной задачи магниторазведки.

Разломные зоны характеризуются непрерывным уменьшением плотности и намагниченности при приближении к оси зоны, что вызвано изменением НДС. На основе установленных В.В. Филатовым закономерностей изменения физических свойств в разломной зоне создана теоретическая сплайн-модель распределения плотности и магнитных свойств, вычислены ее

физические поля (рис. 4). На рис. 5 представлена физико-геологическая модель Байкальского разлома, построенная по опубликованным данным о непрерывным изменении степени катаклаза и плотности.

Рис. 4. Обобщенная физико-геологическая модель зоны разлома: графики изменения плотности (а), поля силы тяжести (б), магнитной восприимчивости (в), магнитного поля (г): 1 - зона упругих деформаций, 2 -зона пликативных деформаций, 3 - зона дробления

3 6 9 12 х, км

4- +- + л/ + +- л/ ~ + Ч-.-+- -Н- -+=-

г+па г+^гтз ггл4

Рис. 5. Петроплотностная модель деформированной зоны, построенная на основе аппроксимации плотности сплайном: 1 - породы со слабым катаклазом; 2 - бластомилониты; 3 - породы с умеренным катаклазом; 4 - породы с сильным катаклазом; 5 - сплайн плотности; 6 - теоретическая кривая Ag кусочно-постоянной модели; 7 -теоретическая кривая сплайн-модели

Расчеты полей на основе описания физических свойств кубическими сплайнами проводились на Гусевогорском железорудном месторождении, молибдено-вольфрамовом месторождении, Карамкенском золоторудном месторождении [1 , 6,10].

Долгое время господствовало мнение, что НДС обусловлено только давлением вышележащих пород. Теоретическое решение для этого случая дано А.Н. Динником. Основополагающая роль в введении в геологическую практику изучения НДС геофизическими методами принадлежит М.В. Гзовскому. Специалистами школы М.В. Гзовского для анализа НДС построены схемы полей напряжений для складок поперечного изгиба, разлом-ных зон и других типов геологических структур.

К настоящему времени имеется решение прямой задачи тектонограви-метрии во второй постановке для материальной точки. Впервые решение получено Р. Миндлиным и Д. Ченем методом зеркальных изображений для компонентов вектора смещения и тензора деформации, обусловленных действием сосредоточенной силы в упругом полупространстве. Позднее решения этой задачи другими методами получены А. И. Лурье и К. Бреббия.

В. В. Филатовым также на основе решения Миндлина получены интегральные соотношения для компонентов вектора смещения плотностной неоднородности произвольной формы, находящейся в упругом полупространстве. Компоненты вектора смещения получены им в виде произведения вторых производных гравитационного потенциала на некоторые функции координат. В.В. Филатовым и Л.А. Болотновой проведена оценка НДС геологической среды г. Екатеринбурга и его окрестностей и других территорий. В. Н. Глазневым, Л. А. Масловым, О. С. Комовой дана оценка напряженного состоянияземной коры северо-востока Балтийского щита и Тихоокеанского подвижного пояса.

Рассмотрим НДС, обусловленное телами правильной геометрической формы, для которых известны формулы силы тяжести. Для этого сначала получим выражения для параметров напряженного состояния среды для объектов произвольной формы. С помощью соотношений Коши получены компоненты тензора деформации объектов произвольной формы на поверхности полупространства (г=0). Одна из них имеет вид:

2 лЕ I Л23(й2+2 + г0)

(8)

где g без потери точности вычисляемых параметров можно считать постоянным и равным среднему нормальному значению по Земле; р - относительная плотность; V - коэффициент Пуассона; Е- модуль Юнга.

В гравиразвецке самым распространенным элементарным объектом, применяемым при решении прямых и обратных задач, является прямоугольный параллелепипед. Набором прямоугольных параллелепипедов удобно аппроксимировать геологические объекты, ограниченные поверхностями с субвертикальным падением и крутопадающие разломы. Методы построения плотностной модели на основе аппроксимации среды прямоугольными параллелепипедами хорошо освоены, подбор ведется в диалоговом или автоматизированном режиме (В.А. Кочнев, Е.Г. Булах и др.) [7].

На поверхности упругого полупространства (г-О) одна из формул для вычисления КТД прямоугольного параллелепипеда примет вид

/3?( 1 + у)(х--*0)

лЕ

ага%

1-2у

I, ч| "'IV > ' -0 л I Ь' I с! >

I] - характерные размеры прямоугольного параллелепипеда по

где |к;

осям х, у, г.

Автором рассмотрена взаимосвязь параметров НДС и интенсивности гравитационного поля элементарных тел, используемых при решении обратных задач гравиразведки: для материальной точки, вертикального и горизонтального стержней, горизонтальной пластины, уступа и других тел правильной г еометрической формы.

Автором получены зависимости горизонтальной и вертикальной компонент вектора смещения и компонент тензора чистой деформации единичной массы (М=1) от величины Д^ [5]:

1,2(1 + 1-)^

Яо

Л±У

Ех1

-Во

рг

0 5

'80

8с, --

1 + г,

2,39(1-У2)

\-у

1+Яо

Ех0,

(1 + Уко(ЗЯо2 -Е(\-у)х1,5

8ч

г»

2(1-

у)

(10)

Зависимости для других КТД приведены в тексте диссертации.

Из формул следует, что связь КТД, КВС и Дg для материальной точки функциональная, однозначная. То же можно утверждать относительно других параметров НДС. По известным значениям гравитационного поля можно вычислить компоненты тензора деформации. Зависимости u(Ag), w{Лg), c¡1(Лg) имеют вид дробно-рациональной функции. Амплитуда вертикальных смещений м монотонно возрастает с увеличением поля силы тяжести, зависимость »иД^ взаимно однозначная. Зависимость горизонтальных смещений и от величины поля силы тяжести выражается однозначной функцией, но не является взаимно однозначной. Графики этих зависимостей приведены на рис. 6.

Для изучения связи КТД и Аg горизонтального материального стержня воспользуемся известными выражениями Ag, а КТД найдены автором. КТД материального стержня не зависят от линейной плотности стержня:

д^-(1-210-

(П)

4я№Л/д^тах V¿Я™,

Графики зависимостей е22(Д§), м(Д^), построенные по результатам

расчетов, представлены на рис. 6. Для параметров НДС, обусловленных бесконечным горизонтальным материальным стержнем, зависимость от Дg, как и для материальной точки, функциональная, однозначная. По полю силы тяжести можно вычислить параметры НДС.

Для вертикального материального стержня уравнения в замкнутом виде исследуемой зависимости получить не удается, несмотря на то, что аналитические выражения имеются и для КТД, и для Ag. Тем не менее зависимость и в этом случае функциональная, однозначная, что подтверждено численными расчетами. Графики исследуемых зависимостей, построенные по результатам вычислений ц> и Аg для вертикального и горизонтального стержня, представлены на рис. 7. Для горизонтального и вертикального стержней по величине силы тяжести можно вычислить характеристики НДС.

Для вертикального уступа, флексуры, наклонной плоскости выражения параметров напряженного состояния и поля силы тяжести очень сложные. Зависимость параметров НДС от величины поля силы тяжести в явном виде получить нельзя. Зависимости czг(Ag) и u(Ag) для этих объектов получены на основе численных расчетов. Они являются однозначными функциями своего аргумента. Для вертикального уступа, флексуры, наклонной плоскости по известным величинам Ag можно вычислить параметры НДС.

и ,\Л/

/ / ■■ *

а б

Рис. 6. Зависимость КВС (а) и КТД (б) от величины поля силы тяжести на поверхности упругого полупространства, напряженное состояние которого обусловлено материальной точкой

В результате проведенных расчетов установлено, что для наклонных пластов, горизонтальной пластины и некоторых объектов правильной геометрической формы зависимость характеристик НДС от Ag корреляционная [5]. Примеры корреляционных зависимостей силы тяжести и КТД для Днепровского массива приведены на рис. 8.

Для прямоугольного параллелепипеда и горизонтальной пластины выражения КТД и очень сложные. Прямоугольный параллелепипед с квадратным сечением в плоскости ХОУ имеет узкую полосу значений Су, соответствующих одному значению Дg. Степень многозначности зависимости параметров НДС от величины поля силы тяжести меняется при изменении сечения параллелепипеда.

Рис. 7. Зависимость параметров НДС от величины Дg на поверхности упругого полупространства, напряженное состояние которого обусловлено телами простой формы: компонентов тензора деформации для вертикального стержня (а), вертикального смещения для горизонтального стержня по линии, перпендикулярной стержню (б)

а б

Рис. 8. Аппроксимация зависимостей КТД Еу от величины силы тяжести кубическим сплайном (Днепровский массив). Кружками показаны точки, в которых известны Аg и е^

На основе зависимостей между величиной КВС и КТД и интенсивностью силы тяжести для тел правильной геометрической формы автором предложено проводить оценку НДС по следующей схеме [5]:

1. Для параметров НДС, обусловленного телами изометричной формы или телами, обладающими вертикальной осью симметрии, бесконечным горизонтальным материальным стержнем, зависимость от Ац, как и для материальной точки, функциональная, однозначная. Для перечисленных тел

по полю силы тяжести можно вычислить характеристики напряженного состояния геологической среды.

2. Для наклонных пластов, горизонтальной пластины и некоторых объектов правильной геометрической формы зависимость характеристик НДС от Лg корреляционная. Для определения коэффициентов уравнения, описывающего эту зависимость в конкретной геологической обстановке, необходимо выбрать достаточно большое количество точек с известным значением Ag (50 - 70 значений), охватывающих весь диапазон изменения поля силы тяжести. В этих точках необходимо вычислить коэффициенты аппроксима-ционного сплайна. Всего будет получено 6 зависимостей Еу (/ig), по которым отыскиваются главные значения и главные направления тензора деформации. Для этой группы также возможен прямой пересчет Ag в KT Д. Связь между параметрами НДС и величиной силы тяжести корреляционная.

Дня большинства аномалиеобразующих источников зависимости КТД и КВС от Ag не являются однозначными функциями. В формулах вычисления е7У по полю силы тяжести для объектов простой геометрической формы сумма первых трех слагаемых пропорциональна Ag, она больше суммы остальных слагаемых, поэтому поведение изолиний на планах ем и Ag сходное. Для объектов иной геометрической формы планы изолиний для этих величин также обнаруживают сходство.

Форма геологических объектов, их распределение в пространстве, плотность уникальны для конкретной геологической ситуации. Рассмотренные примеры позволяют сделать вывод, что для сложных геологических обстано-вок зависимости параметров КТД от величины Ag всегда могут быть получены путем решения прямой геомеханической задачи. Однако во многих случаях эти зависимости имеют простой вид и оценка НДС может быть проведена упрощенным способом.

Если результаты интерпретации поля силы тяжести позволяют выбрать объект, для которого зависимость параметров НДС от величины поля силы тяжести является однозначной функцией, то возможен пересчет Ag в характеристики НДС. Необходимо выбрать 50-70 точек наблюдения поля силы тяжести равномерно покрывающих диапазон изменения Ag, для выбранных точек по плотностной модели вычислить КТД и определить коэффициенты аппроксимирующей конструкции. Далее используя полученную зависимость Sij(Ag) для всех точек вычисляют КТД, а по ним, в свою очередь, главные значения и главные направления тензора деформации, инварианты тензора деформации и иные характеристики НДС.

По этой методике рассчитывают параметры НДС для участков, на которых поле силы тяжести обусловлено в основном одним геологическим объектом, обладающим высокой избыточной плотностью по отношению к вмещающим породам, например, интрузией ультраосновного состава или рудным телом (см. рис. 8). К этой же группе относятся среды с карстовыми пустотами. Высокое значение дефекта плотности карстовой полости позволяет пренебречь влиянием других неоднородностей.

Оценка НДС геологической среды по полю силы тяжести, обусловленному влиянием большого количества объектов, - очень сложная задача. Даже на сравнительно небольших территориях в геологическом строении могут присутствовать несколько десятков геологических объектов, каждый из которых оказывает влияние на НДС. Оценка НДС в таких случаях определяется качеством интерпретации поля силы тяжести. Зависимости Еу в большинстве таких ситуаций - многозначные функции и не могут быть представлены аналитическими выражениями. Таким образом, зависимости параметров НДС от величины Ag обусловлены не только формой объектов, но и взаимным расположением геологических тел в пространстве.

По результатам измерений силы тяжести была проведена оценка напряженного состояния для южной части Верхнекамского месторождения калийных солей. Результаты вычислений приведены на рис. 9 [3]. Главные горизонтальные деформации вблизи земной поверхности представляют собой растяжения, за исключением юго-западной области, где среда испытывает сжатие. Третья главная деформация направлена вертикально и всюду, кроме южной части, представляет собой сжатие.

Наиболее общим подходом при оценке НДС по полю силы тяжести является решение прямой геомеханической задачи для гоютностной модели исследуемой территории. Методика создания и верификации плотностной модели описана в работе [8]. Для оценки НДС существенную роль играет адекватность интерпретационной модели реальной ситуации. Оценка НДС среды со сложным геологическим строением может быть получена по следующей методике. По гравитационному полю в автоматизированном режиме на ЭВМ создается плотностная модель территории. В качестве элементарных источников аномалий силы тяжести принимают тела, для которых существуют эффективные компьютерные технологии решения обратных задач и установлены аналитические выражения расчета К'ГД. Затем в рамках линейной теории упругости суммированием эффектов от отдельных источников плотностной модели находят компоненты тензора деформации в узлах регулярной сети расчетных точек.

Рхли объекты достаточно удалены друг от друга то распределение параметров НДС вблизи объекта целиком определяется этим источником, поскольку величина деформации убывает с увеличением расстояния быстрее, чем поле силы тяжести. Поэтому вклад в НДС источников, удаленных на расстояние, втрое превышающее их поперечные размеры, можно не учитывать. С целью оценки влияния на НДС различных структур выполняют расчеты для отдельных источников или групп аномалиеобразующих источников. Для оценки изменения решения при изменении величин исходных параметров НДС изучаемого объекта определяется несколько раз.

а ' б

Рис. 9. Результаты расчетов компонентов тензора деформаций вблизи земной поверхности в южной части Верхнекамского месторождения: горизонтальные компоненты (а) и план изолиний вертикальной компоненты тензора деформации южной части Верхнекамского месторождения (б) (по В.В. Филатову и В.Б. Виноградову):

1 - величина и направление деформации сжатия; 2 - величина и направление деформации растяжения; 3 - населенные пункты; 5 ,6, 7 - изолинии еа положительные, нулевые, отрицательные соответственно

При проведении работ нередко оказывается, что сеть магнитных наблюдений гораздо детальнее, чем гравиметрических. В таких случаях необходимо на основе аналитической аппроксимации магнитного поля вычислить псевдогравитационное поле и по нему выполнить оценку НДС [9]. После построения карт изолиний параметров НДС выделяют зоны максимальных и минимальных деформаций, области сжатия и растяжения. Проводят их анализ с привлечением всех имеющихся геолого-геофизических данных. Горные породы сопротивляются растяжению намного хуже, чем сжатию, поэтому зонам растяжения уделяют особое внимание. Пример вычисления AgPS по данным магнитной съемки масштаба 1:10000 для небольшого участка Карамкенского месторождения размерами 2x2 км приведен на рис. 10.

На рассматриваемой территории находятся золоторудное месторождение и несколько рудопроявлений. Важная особенность участка - наличие мощной широтной серии разломов, в которой центральное положение занимает Главный широтный разлом. Гидротермальная проработка привела к существенному уменьшению плотности и намагниченности пород, причем по данным петрофизических исследований влияние на магнитную восприимчи-

вость сильнее, чем на остаточную намагниченность. Ширина области гидротермальной проработки в разломных зонах может достигать километра.

V'-

-.(»!> V.

/ /

......у

щ о А

> -да/

г, **Ч 1

—7""7--

/ / ¡У у / / ' / ''

/ I ' ; / /

' V

'Ъ

У { С )

(

л.

а б в

Рис. 10. Магнитное поле (в н'Гл) (а), псевдогравитационное поле (в мГал) (б) и план изолиний вертикальной компоненты тензора деформации (в) одного из участков Карамкенского месторождения

К участкам оруденения приурочены мощные зоны разуплотнения, их размеры по простиранию достигают 2 км, ширина до 300 м, глубина превышает 500 м, плотность пород в зоне разуплотнения уменьшается до 2,40 г/см3, а дефект плотности по отношению к вмещающим породам достигает -0,2 г/см3. Магнитное поле рудных зон спокойное, с отрицательными значениями до 100 нТл.

Была создана объемная физико-геологическая модель зоны разуплотнения, составленная из прямоугольных параллелепипедов с разной глубиной до нижней кромки (рис. 11). Для модели были вычислены значения дилатации и коэффициентов Лодэ - Надаи. Результаты расчетов в виде планов изолиний приведены на рис. 11. Даже для простой модели план изолиний коэффициента Лодэ - Надаи имеет очень сложный вид, на нем присутствует 4 экстремума. По локальным аномалиям поля силы тяжести были вычислены главные компоненты ТД, построен план изолиний дилатации (рис. 12). По совокупности геолого-геофизических данных автором построена схема основных сжимающих и растягивающих усилий.

Мозаично-блоковое геологическое строение участка обусловило сложный характер наблюдаемых физических полей и поля дилатации. Палеокальдера характеризуется знакопеременными значениями дилатации от -20-10 до 15-10, т. е. амплитуда изменений невелика. Хорошо в поле дилатации отразились разрывные нарушения широтного и северо-западного простирания. Четко на плане проявлен наиболее древний и долгоживущий разлом субмеридионального простирания.

.200 п.

1 а э

Рис. 11. План изолиний коэффициента Лодэ - Надаи (1), план изолиний дилатации (2) и контур плотностной модели зоны разуплотнения (3)

£=31

ЕЕэг Е=33

Е35

Рис. 12. План изолиний дилатации Карамкенского участка -оцифровка изолиний дилатации в 10" : 1 - изолинии отрицательных значений; 2 - изолинии нулевых значений; 3 - изолинии положительных значений; 4 •- разрывные нарушения; 5 - контур палеокальдеры; оцифровка изолиний в

ю-9

На плане изолиний дилатации Карамкенского участка в околоразломной зоне меридионального разлома наблюдается аномалия, аналогичная теоретической аномалии зоны разуплотнения (см. рис. 11). Максимумы этой аномалии соответствуют пересечению меридионального разлома с разломами друг их направлений. Геофизические данные подтверждают наличие деформаций растяжения в зоне его динамического влияния, ей соответствуют положительные значения дилатации. На плане в пределах палеокальдеры наблюдается полоса положительных значений дилатации северо-западного простирания, соответствующая области деформации растяжения. С севера к этой полосе примыкает месторождение.

Поскольку напряжения в геологической среде характеризуются пространственной изменчивостью, то и обусловленная ими намагниченность и плотность также меняются в пространстве. Характер распределения напряжений и закон изменения намагниченности горных пород в каждой разломной зоне индивидуальный.

Заключение

Основным результатом работы является создание новых типов физико-геологических моделей.

В работе представлена технология описания геологических поверхностей сплайнами различного вида, в зависимости от характера поверхности.

Разработана методика описания пространственного распределения плотности и намагниченности на основе кубических сплайнов.

Получены выражения для вычисления полей прямоугольного параллелепипеда, свойства которого описаны полиномом третьей степени.

Получены выражения расчета гравитационного и магнитного полей для моделей с произвольным законом изменения плотности и намагниченности в вертикальном и горизонтальном направлениях. Предлагаемая технология позволяет вычислить погрешность, с которой проводится аппроксимация среды. Для расчетов составлены программы для ЭВМ.

Разработаны алгоритмы решения обратных задач гравиразведки и магниторазведки для геологической среды с непрерывным пространственным изменением физических свойств.

Установлена взаимосвязь между параметрами напряженно-деформированного состояния геологической среды и величиной силы тяжести для объектов простой геометрической формы.

Установлены группы объектов, для которых зависимость характеристик напряженно-деформированного состояния от величины силы тяжести описывается взаимно однозначной функцией, и группа объектов, для которых эта зависимость корреляционная.

Создана методика расчета параметров НДС, учитывающая геометрическую форму изучаемых геологических тел. Методика реализована в программном обеспечении ЭВМ.

Разработана физико-геологическая модель разломных зон, учитывающая особенности распределения физических свойств и напряжений.

Основные положения диссертации опубликованы в работах: Статья, опубликованная в ведущем рецензируемом журнале, входящем в перечень ВАК

1 , Виноградов. В.Б. О методике моделирования железорудных тел //Изв. вузов.

Горный журнал. - 2008. - № 8. - С. 85-88.

Работы, опубликованные в других изданиях

1. Виноградов, В.Б. Применение сплайн-функций для описания поверхности геологических объектов / В.Б. Виноградов, В.В. Филатов // Геофизические методы поисков и разведки рудных и нерудных месторождений. Вып. 12: Межвуз. науч. темат. сб,-Свердловск, 1986. - С. 51 - 55.

2. Виноградов, В.Б. Прямая задача магниторазведки на основе представления поверхности геологических объектов сплайнами / В.В. Филатов, В.Б. Виноградов // Геофизический журнал. - 1988. - Т. 10, № 2. - С. 67 - 73.

3. Виноградов, В.Б. Определение напряжений и деформаций в земной коре по полю силы тяжести // Геофизические аспекты изучения геологического строения месторождений калийных солей: сб. науч. трудов ВНИИГ. - Л., 1989. - С. 162 - 167.

4. Виноградов, В.Б. Оценка напряженно-деформированного состояния геологической среды по геофизическим данным / В.Б. Виноградов, A.A. Кашкаров // Инф. лист. № 287-90. - Свердловск, 1991. - 4 с.

5. Виноградов, В.Б. Методика расчета деформаций среды по гравитационному полю // Известия УГГГА. - Вып. 5. - Сер.: Геол. и геофизика. - Екатеринбург. 1996. - С. 110111.

6. Виноградов, В.Б. Магнитные и плотностные интерпретационные сплайн-модели/

B.Б. Виноградов // Известия УПТА. Вып. 8. Сер.: Геология и геофизика. - 1998. —

C. 142- 144.

7. Виноградов, В.Б. Моделирование угленосных структур по данным магниторазведки / Д.Б. Иванов, В.Б. Виноградов, A.B. Чурсин // Геофизические методы при разведке недр и экологических исследованиях. - Вып. 2. - Томск: Изд. ТГУ, 1999. - С. 212 -214.

8. Виноградов, В.Б. О методах интерпретации гравитационных и магнитных полей восточпоуральских угольных месторождений // Известия УГГТА. - Вып. 15. Сер.: Геология и геофизика. - 2002. — С. 209 - 214.

9. Виноградов, В.Б. Выбор вида и параметров аналитической аппроксимации для расчета трансформаций // Вопросы теории и практики геологической интерпретации гравитационных магнитных и электрических полей: Материалы 32-й сессии семинара им. Д.Г. Успенского. - Пермь: Горный институт УрО РАН, 2005. - С. 44.

10. Виноградов, В.Б. Совершенствование методики обработки данных КМВ на железорудных месторождениях // Геология и полезные ископаемые Западного Урала: материалы региональной научно-практической конференции. - Пермь: Пермский гос. ун-т, 2008. - С. 224-227.

Подписано в печать. 21.11.08 г. Формат 60x84 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

Содержание диссертации, кандидата геолого-минералогических наук, Виноградов, Владислав Борисович

Введение.

Глава 1. Физико-геологическое моделирование в гравиразведке и магниторазведке.

1.1 . Моделирование геологических объектов.

1.2. Напряженное состояние земных недр.

1.3. Задачи тектоногравиметрии и тектономагнитометрии.

Глава 2. Интерпретационные модели с произвольным законом изменения плотности и намагниченности.

2.1. Описание геометрии и физических свойств геологических тел сплайн-функциями.

2.2. Аппроксимация изменчивости плотности и магнитных свойств.

2.3. Магнитные модели с латеральной изменчивостью намагниченности.

2.4. Модели с изменяющейся по латерали плотностью.

2.5. Решение обратных задач для сред с непрерывным латеральным изменением физических свойств.

Глава 3. Взаимосвязь гравитационного поля и напряженного состояния верхней части земной коры.

3.1 Напряженное состояние упругого полупространства, обусловленное сосредоточенной силой.

3.2 Напряженное состояние среды, обусловленное неоднородностью правильной геометрической формы.

3.3 Взаимосвязь параметров напряженного состояния и поля силы тяжести аномалиеобразующих объектов правильной геометрической формы.

3.4 Зависимость параметров напряженного состояния от величины силы тяжести для сложных моделей.

Глава 4. Методика тектонофизического анализа состояния геологической среды.

4.1. Методика оценки напряженного состояния геологической среды по полю силы тяжести.

4.2. Методика оценки напряженного состояния геологической среды по магнитному полю.

4.3. Интерпретационные модели разломных зон.

4.4. Оценка напряженного состояния геологической среды.

4.4.1. Карамкенский участок.

4.4.2. Полетаевская площадь.

4.4.3. Балахонцевский участок.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Методика физико-геологического моделирования объектов с переменной плотностью и намагниченностью"

Актуальность темы. Восполнение запасов полезных ископаемых требует совершенствования теории и методики геофизических исследований на всех этапах геологоразведочных работ. Создание новых способов и методик истолкования геофизических полей позволяет эффективно решать сложные геологические задачи. Пространственная изменчивость физических свойств наблюдается при проведении геофизических работ разных масштабов, в различных геологических условиях: при изучении зон метасоматических изменений, при-контактовых термальных изменений, железорудных, меднорудных, золоторудных и других месторождений. На Урале широко распространены метаморфические комплексы, для которых непрерывная пространственная изменчивость состава обусловливает пространственную изменчивость свойств. Актуальность работы вытекает из того, что решение прямой задачи для сред с произвольным законом изменения свойств позволяет изучать участки со сложным геологическим строением.

Изучение напряженного состояния геологической среды влечет за собой расширение круга решаемых задач в условиях сокращения рынка геофизических услуг. Всестороннее изучение геологической среды позволяет полнее использовать имеющиеся ресурсы. Актуальность темы подтверждается публикациями на эту тему в ведущих геофизических журналах страны (Булах Е.Г. 2007, 2008 и др,)

Напряженно-деформированное состояние массивов горных пород обусловливает пространственную изменчивость плотности и намагниченности, что в свою очередь находит отражение в интенсивности наблюдаемых гравитационного и магнитного полей. Влияние НДС на величину измеряемого поля существенно меньше влияния изменения вещественного состава. Тем не менее этот эффект заметен, что создает основу для оценки НДС по измерениям гравитационного и магнитного полей. Поэтому создание интерпретационных моделей учитывающих НДС геологической среды является актуальной задачей теории и практики геологического истолкования гравитационных и магнитных полей.

Несмотря на большое количество исследований в данном направлении отличительные особенности взаимосвязей потенциальных полей и характеристик напряженно-деформированного состояния геологической среды для различных геолого-геофизических обстановок не выяснены. При проведении тектонофи-зического анализа используется аппроксимация геологической среды набором большого количества материальных точек, не оценивается погрешность аппроксимации среды.

Цель и задачи работы. Цель работы — создание методики описания распределения плотности и намагниченности, адекватно отражающей реальную геолого-геофизическую ситуацию, предоставляющую возможность расчета полей и оценки напряженного состояния среды по гравитационному и магнитному полям.

Для достижения цели были решены следующие задачи:

- разработана методика аппроксимации геологических поверхностей кубическими сплайнами, которая позволяет создавать эффективные вычислительные схемы для алгоритмов решения прямых задач магниторазведки;

- разработана методика аппроксимации физических свойств геологической среды с непрерывным пространственным изменением плотности и намагниченности кубическими сплайнами, отличающаяся возможностью оценки точности приближения;

- получена формула вычисления магнитного поля прямоугольного параллелепипеда, намагниченность которого определена полиномом третьей степени;

- получены формулы расчета гравитационного и магнитного полей для тел с латеральной и вертикальной изменчивостью плотности и намагниченности с использованием кубических сплайнов;

- получены выражения компонентов тензора деформации и вектора смещения упругого полупространства, напряженно-деформированное состояние которого обусловлено плотностными неоднородностями правильной геометрической формы, для которых известны аналитические выражения вычисления гравитационного и магнитных полей; созданы программы для вычисления параметров напряженно-деформированного состояния среды (НДС) и выполнены расчеты компоненты тензора чистой деформации (КТД) и компоненты вектора смещения (КВС) для выше названных источников при различных параметрах тел (мощность, глубина до верхней и нижней кромки, угол падения, плотность и др.);

- разработана методика вычисления компонентов вектора смещения и тензора чистой деформации для выделенных групп тел по измеренным гравитационному и магнитному полю;

Защищаемые положения:

Второе защищаемое положение: установлено три типа зависимости параметров напряженно-деформированной состояния среды и силы тяжести для тел простой геометрической формы: взаимнооднозначная, корреляционная и многозначная.

Научная новизна. Разработана методика описания плотности и намагниченности геологических объектов кубическими сплайнами, которая позволяет не только описать любые встречающиеся в практике случаи, но и оценить погрешность такого описания. Установлена возможность замены существующих моделей с непрерывным изменением свойств сплайн-моделями.

Получены выражения для вычисления напряженности гравитационного и магнитного полей горизонтального слоя и прямоугольного параллелепипеда, свойства которых заданы кубическими сплайнами. На этой основе разработана методика вычисления физических полей для любой геолого-геофизической ситуации.

Разработана методика решения обратных задач гравиразведки и магниторазведки на основе аппроксимации пространственной изменчивости физических геологической среды кубическими сплайнами.

Получены аналитические выражения компонентов тензора деформации и компонентов вектора смещения упругого полупространства, напряженно-деформированное состояние которого обусловлено плотностными неоднород-ностями правильной геометрической формы (уступ, прямоугольный параллелепипед, пластина и др.).

Для материальной точки, горизонтального стержня, вертикального стержня установлены аналитические зависимости, а для некоторых тел правильной геометрической формы корреляционные зависимости, связывающие аномальное гравитационное поле и характеристики напряженного состояния геологической среды. Выделены три вида геолого-геофизических обстановок, отличающиеся характером взаимосвязи силы тяжести и характеристик напряженно-деформированного состояния среды.

Апробация работы. Результаты проведенных исследований обсуждались на 5 Уральской конференции "Применение математических методов и ЭВМ при обработке информации на геологоразведочных работах" (1986), на научно-технической конференции Свердловского горного института (1990), на Всероссийской конференции "Применение геофизических методов при решении геологических, инженерно-геологических и экологических задач" (Пермь, 1994), на сессиях международного семинара им. Д.Г. Успенского «Вопросы теории и практики геологической интерпретации гравитационных, магнитных и электрических полей» (Ухта, 1998, 2008; Екатеринбург, 1999, 2002, 2006; Пермь, 2005), на конференции «Геофизические методы при разведке недр и экологических исследованиях» (Томск, 2002), на региональной научно-практической конференции «Геология и полезные ископаемые Западного Урала» (Пермь, 2008).

Практическая значимость работы. Разработанные петрофизические модели могут применяться при интерпретации геофизических данных для решения задач как нефтегазовой, так и рудной геологии разных масштабов. Результаты исследований внедрены в ПГО «Севвостгеология» и ПО «Сильвинит». Методики оценки НДС могут применяться при истолковании гравитационного и магнитного полей, при изучении тектонического строения изучаемых территорий. Методические разработки поддерживаются созданным автором программным обеспечением для ЭВМ. Программы расчета параметров НДС после небольшой модификации используются Днепровской экспедицией. Результаты работ переданы в виде отчета геофизическим организациям — заказчикам работ, на них получены акты внедрения.

Достоверность получаемых результатов основана на результатах расчетов, выполненных для теоретических моделей. После появления версии 5.0 математического пакета Mathematica некоторые простые формулы удалось проверить с его помощью.

Фактический материал и личный вклад. Представленные в работе методики моделирования сложных геологических среди, программы аппроксимации геологических поверхностей, распределения плотности и намагниченности, расчета магнитного и гравитационного полей и параметров НДС созданы автором. При решении выше перечисленных задач проводились теоретические исследования, физическое и математическое моделирование, в том числе с применением математических пакетов Mathematica и Mathcad.

В работе использовались результаты полевых наблюдений потенциальных полей, выполненных при участии автора, а также материалы, предоставленные геофизическими предприятиями, для выполнения хоздоговорных научно-исследовательских работ, в которых автор принимал участие в качестве исполнителя и ответисполнителя, а некоторые из них основаны на опубликованных в печати материалах, что оговорено в тексте.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, в том числе одна статья в журнале из перечня ВАК.

Работа выполнена в Институте геологии и геофизики Уральского государственного горного университета под руководством доктора геолого-минералогических наук, заслуженного геолога Российской Федерации В.В. Филатова, которому автор выражает благодарность за всестороннюю помощь и поддержку при выполнении работы.

Благодарности. Автор благодарит своих коллег проф. В.И. Бондарева, доц. С.М. Крылаткова, д.г.-м. н. А.С. Долгаля, проф. А.В. Давыдова, чл. корр. РАН Ю.Н. Субботина, проф. В.М. Сапожникова, проф. В.В. Бабенко, д.ф.-м. н.В.А. Кочнева, В.Б. д.г.-м.н. Писецкого, доц. Ж.Н. Александрову, проф. А.Г. Талаая, проф. Г.С. Возженникова, проф. И.Г. Сковородникова, д.т.н. О.В. Зотеева, чьими советами и помощью он неоднократно пользовался. В ходе работы автор получал помощь многих сотрудников и студентов ИГИГ. Всем указанным лицам автор выражает глубокую благодарность.

Автор выражает благодарность участникам семинара им. Д.Г. Успенского за обсуждение работы, сотрудникам объединения «Уралкалий», Центральной геофизической экспедиции Центральной комплексной тематической экспедиции ПГО «Севвостгеология», ФГУП «Челябгеолсъемка», ОАО «Баженовская экспедиция», Днепровской геолого-геофизической экспедиции, оказавшим помощь в процессе работы и предоставившим материалы для работы.

Заключение Диссертация по теме "Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых", Виноградов, Владислав Борисович

ВЫВОДЫ

1. Разработана эффективная методика вычисления параметров НДС по гравитационному полю, основанная на аппроксимации геологической среды телами правильной геометрической формы.

2. Разработана методика вычисления параметров НДС по измеренному магнитному полю.

3. Разработана методика решения прямых и обратных задач тектоногравиметрии и тектономагнитометрии для разломных зон.

4.4. Оценка напряженного состояния геологической среды

Структурно-петрофизический анализ играет важную роль в изучении геодинамики рудоносных структур [4, 27, 32, 47 - 49, 81, 82]. Геодинамические построения чаще всего проводятся без привлечения геофизических данных. В предшествующих главах было показано, что анализ напряженного состояния геологической среды на основе гравитационного и магнитного полей позволяют получить дополнительную информацию для таких построений.

4.4.1 Карамкенский участок

Карамкенский рудный район расположен в бассейне рек Армани и Олы. Он приурочен к внешней зоне Охотско-Чукотского вулканического пояса и включает участки сочленения Магадавен-Хасынского поднятия с Арманской и Оль-ской вулкано-тектоническими депрессиями [108]. Арманская вулкано-тектоническая депрессия большинством исследователей рассматривается как единая, выполненная продуктами кислого вулканизма, и классифицируется преимущественно как кальдера обрушения. На основе размещения магматических образований и гравиметрических материалов А.А. Красильников в составе Арманской депрессии выделил: 1. Аганскую очаговую структуру; 2. Карамкен-скую, Нижне-Аганскую, Мишстинскую палеокальдеры; 3. три субвулканические постройки: Нижне-Нанкалинскую, Утеснинскую, Пари.

Карамкенская палеокальдера расположена в междуречье рек Хасын и Нельканджи и приурочена к узлу пересечения Хасын-Магадавенского и Момо-лотыкис-Гайчинского глубинных разломов. Форма палеокальдеры в плане неправильная, приближающаяся к равнобедренному треугольнику с основанием 7 км и высотой 5 км, с округлыми вершинами и сторонами, ориентированными в северо-западном, субширотном и северо-восточном направлениях. В целом ориентировка структуры северо-западная, 320-330°, близкая к общему направлению складчатости геосинклинальных отложений Ола-Арманского междуречья. На рассматриваемой территории находятся Карамкенское месторождение и несколько рудопроявлений.

Карамкенская палеокальдера выполнена стратифицированными отложениями хольчанской свиты (туфы, ингимбриты, лавы дацитов, прослои вулкано-генно-осадочных пород) мощностью 50 - 160 м (сг = 2.6 г/см3, z = 224-Ю"5 ед. Си, 1п=0.0034А/м), улынской свиты (андезиты, андезито-базальты, реже туфы)

Л f мощностью 50 - 100 м (2.74 г/см , 233-10" ед. Си, 0.0176 А/м) и ольской свиты (туфы, ингимбриты липаритов, туфопесчаники) мощностью 50 - 200 м (2.53 г/см3, 332-10"5,0.00229 А/м). Мощность свит закономерно возрастает от краев к центральной части кальдеры. В центральной части структуры вулканогенные образования залегают субгоризонтально, а на окраинах имеют пологое (10 — 30°) центриклинальное падение.

Вулканоструктура имеет тектонические взаимоотношения с терригенными отложениями арманской и покровами науралийской свит в окраинах Магадавен-Хасынского поднятия, прорванных интрузиями гранитов. Юго-западное ограничение кальдеры - прямолинейный крутопадающий сброс северозападного простирания. Северо-восточное ограничение кальдеры совпадает с серией полукольцевых разломов, полого (25 — 60°) падающих на юго-запад. Северо-западный и юго-восточный фланги ограничены сериями прямолинейных и дугообразных, преимущественно крутопадающих разломов. Основание Карамкенской вулканоструктуры сложено околожерловыми образованиями андезитового состава, прорванными интрузиями дацитов и плагиогранитпор-фиров. Кальдера выполнена эксплозивными образованиями андезито-дацитового и дацитового состава. По мнению ряда исследователей (С.С. Юдин, JI.B. Скибина, В.Т. Семынин, Г.М. Юдин и др.) Карамкенская вулканическая структура состоит из трех сближенных воронкообразных экструзивно-покровных базальт-риолитовых тел с поперечником до 1.5 км, образующих несколько вытянутую в северо-западном направлении цепочку [108].

К периферии структуры приурочены трещинные субвулканические тела дацитов и липаритов, а к центральной - экструзии липаритов, некки и дайки диоритовых порфиритов и базальтов, имеющих преимущественно широтное простирание. Наибольший интерес представляет северо-восточная окраина кальдеры, где расположена субвулканическая интрузия андезитов, их брекчий и липаритов посткальдерного комплекса, слагающая сложное трещинное тело полукольцевой формы. Интрузия имеет преимущественно крутые (до вертикальных) тектонические контакты со стратифицированными отложениями кальдеры.

Для изучения геологического строения Карамкенского рудного поля были проведены гравиметрическая и магнитная съемки масштаба 1:10000. Из наблюденного поля силы тяжести был исключен линейный фон, обусловленный границей суша — океан и построена карта А^Лок масштаба 1:10000. В дальнейшем при проведении расчетов использовались значения локального гравитационного поля. По результатам магнитной съемки построена карта AZ масштаба 1:10000.

Важная особенность палеокальдеры: наличие мощной широтной серии разломов, в которой центральное положение занимает Главный широтный разлом. Анализ структурных деталей выявил отчетливую картину существенных левосдвиговых деформаций. Широтные разломы принадлежат к крупнейшей трансрегиональной Момолтыкис-Гайчинской зоне, а меридиональное направление относится к скрытому Карамкен-Агатовскому региональному разлому. Разломы субширотного простирания контролировали гидротермальную деятельность. Сдвиговые движения вдоль широтных разломов приводили к раскрытию ранее существовавших трещин северо-восточного простирания, что способствовало движению по ним гидротерм. Субширотные разломы играли роль барьеров на пути движения гидротерм. Обычно это протяженные, сближенные, субпараллельные швы, заполненные тектоническими глинами мощностью до 1 м, свидетельствующие о преобладающем режиме сжатия. На плане изодинам широтные разломы отражаются смещением изолиний вдоль оси разлома, амплитуда сдвиговых перемещений достигает 150 м. i-.J, А/м 2400 X, м

ТТЛ 2

ZZ23 х х А

J5 1

Н, м ч \

Л ^ ч ч ч \ * I v ч - I * vc Л X, М V

Рис. 4.11. Геолого-геофизический разрез по профилю, пересекающему Главный широтный разлом (а):

1 — улынская свита, лавы андезито-базальтов; 2 — зона разлома; 3 — трещинные тела, установленные по данным магниторазведки; 4 - диоритовые порфириты, 5 — наблюденное поле AZ, 6 - кривая Ag, 7 - вычисленное по от сплайн-модели поле Za, 8 - подобранный сплайн намагниченности

На рис. 4.11 представлен геолого-геофизический разрез по профилю, пересекающему Главный широтный разлом. Зона разлома шириной около километра имеет сложное зональное строение, которое четко отражается в магнитном поле. На фоне поля, обусловленного породами улынской свиты и габбро-диоритов, выделяется аномалия трещинного тела субвулканитов.

Разрывные нарушения субмеридионального простирания самые древние. Большинство признаков субмеридиональных нарушений указывает на их длительное функционирование, как магмоконтролирующих структур в условиях растяжения. В поле силы тяжести разломы меридионального и северозападного простирания отмечаются цепочками локальных аномалий интенсивностью до 1.5 мГал, в магнитном поле они выявляются линейными аномалиями и замыканием изолиний вдоль оси разлома. На рис. 4.12 представлен геолого-геофизический разрез, на котором меридиональный разлом отмечается отрицательной аномалией интенсивностью -320 нТл, к западной части этого разлома приурочены рудные тела.

AZ, нТл

UZH ma юз

Ш4

Рис. 4.12. График магнитного поля вдоль профиля пересекающего разломы субмеридионального простирания (б):

1 - туфы кислого состава, 2 - экструзии дацитов, 3 — габбро-диориты, 4 — зоны разломов, 5 - кривая AZ

Гидротермальная проработка привела к существенному уменьшению намагниченности пород, причем по данным петрофизических исследований влияние на магнитную восприимчивость сильнее, чем на остаточную намагниченность. В пределах рудных зон физические свойства определяются не первичным составом пород, а степенью гидротермальной проработки. Ширина области гидротермальной проработки в разломных зонах может достигать километра.

К участкам оруденения приурочены мощные зоны разуплотнения, их размеры по простиранию достигают 2 км, ширина до 300 м, глубина превышает 500 м, плотность пород в зоне разуплотнения уменьшается до 2.40 г/см , а дефект плотности по отношению к вмещающим породам достигает -0.2 г/см3. Магнитное поле рудных зон спокойное, с отрицательными значениями до 100 нТл.

Автором была создана объемная плотностная модель зоны разуплотнения, составленная из прямоугольных параллелепипедов с разной глубиной до нижней кромки (рис. 4.13). Для модели были вычислены значения дилатации и коэффициентов Лодэ - Надаи. Результаты расчетов в виде планов изолиний приведены на рис. 4.13. Даже для простой модели план изолиний коэффициента Ло-дэ-Надаи имеет очень сложный вид, на нем присутствует 4 экстремума (рис. 4.13.1). При наличии большого количества аномалиеобразующих объектов план изолиний будет очень сложным и его истолкование стало бы крайне затруднительным. Поэтому расчеты коэффициента Лодэ — Надаи для Карамкенского участка не проводились.

Рис. 4.13. План изолиний коэффициента Лодэ - Надаи (1), план изолиний дилатации (2) и контур плотностной модели зоны разуплотнения (3) оцифровка изолиний дилатации в 10"9

По локальным аномалиям поля силы тяжести были вычислены главные компоненты ТД, построен план изолиний дилатации, представленный на рис. 4.14. По совокупности геолого-геофизических данных автором построена схема основных сжимающих и растягивающих усилий (рис. 4.15).

Мозаично-блоковое геологическое строение Карамкенского участка обусловило сложный характер наблюдаемых физических полей и поля дилатации. Карамкенская палеокальдера характеризуется знакопеременными значениями дилатации от -20-10 до 15-10, т. е. амплитуда изменений невелика. Хорошо в поле дилатации отразились разрывные нарушения широтного и северозападного простирания. Главный широтный, Средний широтный, Южный широтный разломы выявляются по замыканию вдоль их осей изолиний дилатации. Четко на плане проявлен наиболее древний и долгоживущий разлом субмеридионального простирания. На плане изолиний дилатации Карамкенского участка (рис. 4,14) в околоразломной зоне меридионального разлома наблюдается аномалия аналогичная теоретической аномалии зоны разуплотнения. Максимумы этой аномалии соответствуют пересечению меридионального разлома с разломами других направлений. Геофизические данные подтверждают наличие деформаций растяжения в зоне его динамического влияния, ей соответствуют положительные значения дилатации. На плане в пределах палеокальдеры наблюдается полоса положительных значений дилатации северо-западного простирания, соответствующая области деформации растяжения. С севера к этой полосе примыкает месторождение (рис. 4.14).

ЕЕШ ЕЕ32 S3 ЕЕИ

EEJ5

Рис.4.14. План изолиний дилатации Карамкенского участка: 1 - изолинии отрицательных значений, 2 - изолинии нулевых значений, 3 - изолинии положительных значений, 4 - разрывные нарушения, 5 - контур палеокальдеры; оцифровка изолиний в 10"9

Милонитовые швы северо-восточного простирания, к которым приурочены рудные жилы, отражаются в физических полях аномалиями малой интенсивности, количественная интерпретация которых затруднительна. Это связано с их малыми размерами - 2 - 40 м. Формирование палеокальдеры сопровождалось внедрение многочисленных штокообразных и трещинных тел наиболее полно развитых вдоль северо-восточного борта структуры, который является наиболее рудоносным. Трещинные тела отмечаются магнитными аномалиями в первые сотни нТл.

CZZH Oa чТЗПЗ ГГП4 nm 5

12236 EZZ37 Е38

Рис. 4.15. Схема ориентировок сжимающих и растягивающих усилий Карам-кенского участка:

1 - ольская свита, туфы смешанного состава; 2 - арманская свита, вулканоген-но-осадочные отложения, туфопесчаники, туфы среднего состава; 3 - нарау-лийская свита,туфы, вулканические брекчии; 4 - граниты, 5 - диориты, 6 - зоны разуплотнения; 7 - траектории осей растяжения, 8 - траектории осей сжатия

4.4.2 Полетаевская площадь

Полетаевская площадь находится на территории Челябинской области. На момент выполнения работы геологической карты масштаба 1:200000 Полетаев-ской площади не существовало, но на эту территорию имелись изданные карты поля силы тяжести масштаба 1:200000. Оценка напряженного состояния проводилась в рамках проекта геологического доизучения площади.

Для оценки НДС Полетаевской площади по гравитационному полю была составлена ее плотностная модель. Физические свойства горных пород модели были получены частично в результате измерений, частично, особенно упругие свойства, по литературным данным. В табл. 4.1 приведены физико-механические характеристики пород Полетаевской площади.

При составлении начального приближения плотностной модели были использованы рабочие материалы В.В. Бабкина и Н.С. Кузнецова и [79]. В дальнейшем модель уточнялась методом последовательных приближений. Правильность плотностной модели оценивалась сопоставлением наблюденного и вычисленного для модели полей. Объемная плотностная модель Полетаевской площади состоит из 4 прямоугольных параллелепипедов аппроксимирующих региональную составляющую, а также из 11 прямоугольных параллелепипедов и 20 материальных точек аппроксимирующих локальные объекты. Погрешность аппроксимации гравитационного поля составила 0.7 мГал.

Физико-механические свойства пород Полетаевской площади . Таблица 4.1

Название горной породы Плотность, г/см3 Модуль Юнга, МПа Коэффициент Пуассона

1 Андезит 2.78 4.7 0.17

2 Базальт 2.75 7.8 0.24

3 Диабаз 2.82 -

4 Диорит 2.80 7.1 0.21

5 Гнейс 2.70 2.5 0.12

6 Гранит 2.67 5.1 0.17

7 Известняк 2.71 6.1 0.27

8 Песчаник 2.65 3.5 0.08

9 Туф 2.60 5.0 0.20

10 Амфиболит 3.00 9.0 0.46

Характер гравитационного поля, имеющиеся геологические материалы, опыт расчета на других объектах позволили сделать вывод о статистической связи КТД и Ag , установить корреляционную зависимость £■,-,• (Ag) и проводить расчеты по методике изложенной в разд. 4.1. Расчеты проводились как для абсолютных значений, так и для избыточных плотностей.

По результатам вычислений были построены планы изолиний КТД, дилата-ции, интенсивности деформаций. На рис. 4.16 представлены планы изолиний главных значений КТД. Результаты расчетов показывают, что первое и второе главные значения горизонтальны и имеют соответственно субширотную и субмеридиональную ориентировку. Третье главное значение ТД имеет вертикальное направление, его абсолютная величина в 2 - 3 раза превышает абсолютные величины первых двух главных значений ТД. Первое и второе главные значения характеризуют деформации сжатия, третье - деформации растяжения. Для Полетаевской площади были вычислены параметры НДС при действии сил одинаковой величины отдельно для каждого из трех взаимно перпендикулярных направлений (X, Y, Z), т.е. оценивался вклад тектонических сил в НДС. По результатам вычислений были построены планы изолиний и вертикальные карты КТД по отдельным профилям. Результаты расчетов скорректированы с учетом изменения модуля Юнга и коэффициента Пуассона в соответствии с методикой изложенной в первой части главы.

Рис. 4.16. План изолиний первой главной компоненты (а), второй главной компоненты (б) и третьей главной компоненты (в) тензора деформации Полета-евской площади;

1 - Челябинский гранитоидный массив, 2 - Коелгинский гранитоидный массив, 3 — Челябинский грабен - оцифровка изолиний на планах в 10~9:

В центре площади наблюдается участок с преобладанием деформаций растяжения, такие проницаемые зоны благоприятны для циркуляции гидротермальных растворов и перспективны на обнаружение оруденения. НДС при действии вертикально направленных сил представлено картой дилатации и разрезом по профилю, пересекающему перспективный участок. Верхняя часть разреза этой территории под действием гравитационных сил испытывает деформации растяжения; увеличение деформаций растяжения наблюдается в восточной части площади. Для перспективного участка по центральному профилю проведены расчеты дилатации при различной ориентировке действующих сил. Оказалось, что при действии силы северо-западного направления величина дилатации наибольшая по всему профилю, т.е. участок обладает механической анизотропией. Он наиболее деформируем при действии сил СЗ направления, и как следствие на участке должна проявиться соответствующая ортонормальная система разрывных нарушений. Такая же картина наблюдается в пределах, недалеко расположенной Томинской зоны, можно высказать предположение о их единой тектонической истории и сдвиговой природе этих нарушений [79]. На отчетной геологической карте масштаба 1:200000 разрывные нарушения СЗ направления стали доминирующими.

По мнению авторов [79] Полетаевская площаль находится в западной части Челябинского палеорифта, который в значительной степени переработан последующими геологическими процессами. Механическая анизотропия - характерная черта рифтовых структур, характер наблюдаемых полей и их геодинамический анализ не противоречат гипотезе палеорифта.

На рис. 4.17 представлены планы векторов Vs и V- небольшого участка Поле-таевской площади.

4.4.3 Балахонцевский участок

После ававрии на БКРУ-3 по заказу производственных объединений «Уралкалий» и «Сильвинит» проводилась оценка напряженного состояния Ба-лахонцевского участка, на котором находится аварийная шахта. Балахонцевский участок административно расположен в Усольском районе Пермской области, в 15 км к югу от г. Березняки. В геологическом отношении участок расположен в районе пересечения двух прогибов - Камского и менее выраженного Дурыманского, разделенных Брезняковским поднятием. Само пересечение прогибов находится за пределами шахтного поля БКРУ-3. Дурыманский прогиб является структурным "заливом" более крупного Камского прогиба, а рассматриваемый участок расположен в пределах этого "залива" [108, 110].

В надсолевой части месторождения выделяют: верхнюю переходную зону, глинисто-мергелистую толщу, терригенно-карбонатную толщу, пестроцветную толщу.

Анализ НДС Верхнекамского месторождения имеет некоторые отличительные особенности, которые присущи любой территории с широким распространением соляных пород. Соляные породы отличаются от других пород ярко выраженным эффектом ползучести, т.е. при действии давления в течение небольшого по геологическим масштабам времени они переходят в состояние вязкого течения. При сильном увлажнении также себя ведут глины, которые широко распространены и на участке, и на всей остальной территории месторождении. НДС таких территорий в значительной степени формируется современными тектоническими процессами и индустриальной деятельностью человека.

V. \ W / / / / /

N \ / / * S s •* —-/ / / ^ ^ ч-- ✓ / / ^ V"- / / /Vv ( % /V/ t |\Ч\ч

11/1

S 1 I / /

I ' / / / '

Рис. 4.17. План векторов Vs на одном из участков Полетаевской площади (а); план изолиний участка Полетаевской площади (б)

Задача оценки НДС в полной постановке должна быть динамической. Изучение физико-механических свойств пород Верхнекамского месторождения [109] позволяет сделать вывод о том, что соляные породы без прослоев песчаника, глин и т.д. обладают высокими значениями коэффициента Пуассона, особенно карналлиты, у которых его величина достигает 0.49. При таких высоких значениях коэффициента Пуассона слагаемые с множителем (l-2v) в формулах главы 3 становятся очень малыми и ими можно пренебречь. При этом сохраняются слагаемые, связанные с действием сосредоточенной силы, и слагаемые, связанные с наличием свободной поверхности. Например, выражение для материальной точки принимает вид:

Mg{ l + v)\ 2 Н 3.x2 Н при v=0,49 получим:

4.60)

4.61) er* [ r2

Некоторые характеристики НДС можно считать равными нулю. Подобным образом меняются КТД. КТН. КТН любых источников: призм, стержней, параллелепипедов и т.д.

Рельеф местности участка спокойный, заметного влияния на НДС не оказывает. Оценка НДС Верхнекамского месторождения была проведена по данным гравиметровой съемки масштаба 1:100000. Напряженное состояние Верхнекамского месторождения определяется горизонтально слоистым геологическим строением. НДС территории в первом приближении близко к НДС обусловленным горизонтальной пластиной. Это позволило избрать корреляционную схему расчета параметров НДС (разд. 4.1). Результаты расчетов в виде планов изолиний представлены на рис. 4.18. Месторождение калийных солей находится в переходной зоне смены знака характера деформаций. На плане горизонтальных компонент с запада на восток происходит смена деформаций сжатия на деформации растяжения. На плане вертикальной компоненты с запада на восток деформации растяжения сменяются деформациями сжатия. Ориентировка горизонтальных КТД согласуется с направлением линеаментов, выделенных по результатам дешифрирования аэрофотоснимков. Месторождение находится в градиентной зоне НДС, неустойчивой к изменению механического режима территории. Эта неустойчивость проявляется в смене ориентировки КТД в соседних расчетных точках (рис. 4.18.а).

Главная особенность тектонического строения шахтного поля на Балахон-цевском участке состоит в том, что восточная часть приподнята по отношению к западной более чем на 40 м. Однако заметного отражения в поле деформаций обусловленных действием силы тяжести эта особенность не имеет в силу малой а б

Рис. 4.18 а) Результаты расчетов деформаций вблизи земной поверхности в южной части Верхнекамского месторождения:

1 - величина и направление деформации сжатия, 2 - величина и направление деформации растяжения, 3 — населенные пункты б) План изолиний вертикальной компоненты тензора деформации южной части Верхнекамского месторождения:

1 - изолинии деформации сжатия, 2 — нулевые изолинии, 3 — изолинии деформации растяжения

Наличие рыхлой каменной соли свидетельствует о том, что первоначально, до развития техногенных секущих трещин и трещин расслоения, соль находилась в повышенно (по отношению к вмещающим породам) напряженном состоянии, что связано с высоким содержанием газа в солях. Значительных отклонений в геологическом строении Балахонцевского участка по отношению к другим частям месторождения не установлено. Катастрофические явления на данном месторождении следует связывать с проводимыми горными работами, влияние геологического строения вторично.

Рис. 4.19 График вертикальной компоненты тензора деформации по профилю, пересекающему южную часть Верхнекамского месторождения. Стрелкой отмечено положение Балахонцевского участка, вертикальный масштаб разреза увеличен в 10 раз

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основным результатом работы является создание новых типов физико-геологических моделей с изменяющимися в пространстве плотностью и намагниченностью, которые дополняют широко распространенные модели с кусочно-постоянными свойствами, а также эффективная технология оценки напряженного состояния геологической среды по измеренным потенциальным полям.

В работе представлена технология описания геологических поверхностей сплайнами различного вида, в зависимости от характера поверхности. Технология разработана для двухмерного и трехмерного вариантов.

Разработана методика описания пространственного распределения плотности и намагниченности на основе кубических сплайнов в двухмерном и трехмерном вариантах.

Получены выражения для вычисления гравитационного и магнитного полей прямоугольного параллелепипеда, свойства которого описаны полиномом третьей степени.

Получены выражения расчета гравитационного и магнитного полей для физико-геологических моделей с произвольным законом изменения плотности и намагниченности в вертикальном и горизонтальном направлениях. Предлагаемая технология позволяет вычислить погрешность, с которой проводится аппроксимация среды. Для расчетов составлены программы для ЭВМ.

Разработана методика описания изменчивости плотности и намагниченности в трехмерном пространстве и способы решения прямых задач для таких физико-геологических моделей

Разработаны алгоритмы решения обратных задач гравиразведки и магниторазведки для физико-геологических моделей геологической среды с непрерывным пространственным изменением физических свойств в горизонтальном и вертикальном направлениях.

Создана методика расчета параметров НДС по данным измерений силы тяжести, на основе аппроксимации геолого-геофизической обстановки объектами правильной геометрической формы. Методика реализована в программном обеспечении ЭВМ. Методика опробована на практических примерах, результаты исследований и программное обеспечение переданы трем производственным организациям.

Разработана физико-геологическая модель разломных зон, учитывающая особенности распределения в них плотности, намагниченности и напряжений.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

НДС - напряженно-деформированное состояние геологической среды;

ТД - тензор деформации;

КТД - компоненты тензора деформации;

КТН — компоненты тензора напряжений;

КВС - компоненты вектора смещения;

Ag - поле силы тяжести; u,v,w - компоненты вектора смещения;

Z - вертикальная составляющая вектора магнитной индукции;

Сту - компоненты тензора напряжений; у - компоненты тензора деформации;

Е - модуль Юнга; v - коэффициент Пуассона; к — гравитационная постоянная; ст - плотность; — магнитная восприимчивость; J- намагниченность.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата геолого-минералогических наук, Виноградов, Владислав Борисович, Екатеринбург

1. Алексидзе МА. Решение некоторых основных задач гравиметрии/ М.А. Алексидзе. Тбилиси: Мицниереба, 1985. —412 с.

2. Аронов В.И. Обработка на ЭВМ значений силы тяжести при произвольном рельефе поверхности наблюдений/ В.И. Аронов. М.: Недра, 1976. — 129 с.

3. Аронов В.И. О некоторых вопросах применения математических методов и ЭВМ в геологии и геофизике/ В.И. Аронов//Геофизический журнал, 1990. - Т. 12, №2.-С. 62-72.

4. Артюшков Е.В. Физическая тектоника/ Е.В. Артющков. — М.: Наука, 1993, -454 с.

5. Дилатансионные процессы в консолидированной коре. 1/ Беличенко П.В., П.В., Гинтов О.В., Исай В.М. и др.//Геофизический журнал, 1990, т. 12, №2, -С. 32-44. 2. т.13, №2. С. 48 - 54.

6. Болотнова Л.А. Методика изучения деформационного состояния геологической среды района Екатеринбурга по гравиметрическим данным: Автореф. дис. . канд. геол.-минерал. наук: 25.00.10/ —Екатеринбург, 2007. — 23 с.

7. Бор Карл де. Практическое руководство по сплайнам/Карл де Бор. М.: Радио и связь, 1985. — 303 с.

8. Бреббия К. Методы граничных элементов: пер. с англ./ К. Бреббия, Ж. Тел-лес, Вроубел М.: Мир, 1987, - 534 с.

9. Булах Е.Г. Применение метода минимизации для решения задач структурной геологии по данным гравиразведки/ Булах Е.Г., Ржаницын В.А., Маркова М.Н. Киев.: Наукова думка, 1976. - 220 с

10. Булашевич Ю.П. Магнитное поле горизонтального пласта с неоднородным распределением магнитных минералов. У ФАН // Геофизический сборник. №2: Труды горно-геологического института. Свердловск. Вып. 30. 1957. - С. 100 — 110.

11. Викторов Г.Г. Некоторые результаты изучения магнитной анизотропии в геодинамических зонах / Викторов Г.Г., Свирина И.Н //Изв. Вузов. Геология и разведка. М., 1982. Деп. №6314-82.

12. Виноградов В.Б. Прямая задача магниторазведки на основе представления поверхности геологических объектов сплайнами / В.В. Филатов, В.Б. Виноградов // Геофизический журнал. 1988. - Т. 10, № 2. - С. 67 - 73.

13. Виноградов В.Б. Определение напряжений и деформаций в земной коре по полю силы тяжести // Геофизические аспекты изучения геологического строения месторождений калийных солей: сб. науч. трудов ВНИИГ. Л., 1989. - С. 162-167.

14. Виноградов В.Б. Оценка напряженно-деформированного состояния геологической среды по геофизическим данным / В.Б. Виноградов, А.А. Кашкаров // Инф. лист. № 287-90. Свердловск, 1991. - 4 с.

15. Виноградов, В.Б. Методика расчета деформаций среды по гравитационному полю // Известия УГГТА, Вып. 5. Сер.: Геол. и геофизика. Екатеринбург. 1996, С. 110-111.

16. Виноградов В.Б. Магнитные и плотностные интерпретационные сплайн-модели/ В.Б. Виноградов // Известия УГГГА. Вып. 8. Сер.: Геология и геофизика.-1998.—С. 142-144.

17. Виноградов В.Б. Моделирование угленосных структур по данным магниторазведки / Д.Б. Иванов, В.Б. Виноградов, А.В. Чурсин // Геофизические методы при разведке недр и экологических исследованиях. Вып. 2. Томск: Изд. ТГУ, -1999. С. 212-214.

18. Виноградов В.Б. О методах интерпретации гравитационных и магнитных полей восточноуральских угольных месторождений // Известия УГГГА. Вып. 15. Сер.: Геология и геофизика. 2002. — С. 209 - 214.

19. Виноградов, В.Б. Совершенствование методики обработки данных КМВ на железорудных месторождениях // Геология и полезные ископаемые Западного Урала: материалы региональной научно-практической конференции. — Пермь: Пермский гос. ун-т, 2008. С. 224-227.

20. Виноградов В.Б. О методике моделирования железорудных тел //Изв. вузов. Горный журнал. 2008. - № 8. - С. 85-88.

21. Виттке В. Механика скальных пород: пер. с нем./ В. Витке. М.: Недра,1990.-439 с.

22. Гзовский М.В. Основы тектонофизики/ М.В. Гзовский. М.: Наука, 1975. -536 с.

23. Гинтов О.Б., Исай В.М. Тектонофизические исследования разломов консолидированной коры. Киев: Наукова думка, 1988, 228 с.

24. Гинтов О.В., Исай В.М., Кобылянский В.Б. Механизм разломообразования в коре Украинского щита.// Геофизический журнал, 1991, ч. 1, № 1. - С. 3 — 16, ч. 2, № 2. - С. 35-41, ч. 3, №3. - С. 3 - 11, ч. 4, №4. - С. 3 - 16.

25. Гореванов Д.Е., Конорев В.И. Структурно-вещественные преобразования горных пород в зоне Приморского глубинного разлома//Геология и геофизика,1991.-№5.-С. 54-61.

26. Глазнев В.Н. Оценка напряженного состояния земной коры северо-востока Балтийского щита на основе плотностной модели/ Глазнев В.Н., Маслов JI.A., Комова О.С. // Физика Земли, 1988. №10. - С. 62 - 67.

27. Гудман Р. Механика скальных пород: пер. с англ./Р. Гудман. М.: Стройиз-дат, 1987.-232 с.

28. Ерофеев Л.Я. Магнитное поле и природа аномалий на месторождениях золота. Томск: Изд. Томского у-та. — 1989. — 160 с.

29. Динник А.Н. Статьи по горному делу. — М.: Углеиздат. 1957. - 195 с.

30. Звягинцев Л.И. Деформации горных пород и эндогенное рудообразова-ние. М.: Наука. - 1984. - 164 с.

31. Иванов Б.М. Исследования напряженного состояния призабойной части пласта посредством определения плотности угля / Научные сообщения ИГД АН СССР. Т. 2. 1959. - С. 44 - 50.

32. Иванов Н.А., Шапиро В.А. Характеристики динамической намагниченности, создаваемой в образцах естественных ферромагнетиков / Н.А. Иванов, В.А. Шапиро //Изв. АН СССР. Сер. Физика Земли. 1972. - №3. - С. 80 - 86.

33. Иванченко B.C. Магнитоакустическая эмиссия магнетитовых и титано-магнетитовых руд железорудных месторождений Урала: Автореф. дис. канд. геол.-минерал. наук: 25.00.10. Екатеринбург, 2007. — 24 с.

34. Калашников А.Г. Магнитные свойства неоднородно намагниченных призм//Известия АН СССР. Сер. геофиз. 1956. - №12. - С. 1369 - 1383.

35. Каплан В.Е. К обобщению и практическому приложению магнитной задачи Булашевича // Известия АН СССР. Физика Земли. 1973. - №5. - С. 102 - 106.

36. Комова О.С. Решение прямой трехмерной задачи геомеханики для аномальных плотностных тел/О.С. Комова, Л.А. Маслов, И.К. Туезов //Тихоокеанская геология. 1984. - №3. - С. 103 -105.

37. Комплексные инженерно-геологические исследования при строительстве гидротехнических сооружений, /под ред. Савича А.И. и Куюнджича В.Д. -М.: Недра, 1990.-462. с.

38. Кондратьев Б.П. Теория потенциала. Новые методы и задачи с решениями. М.: Мир, 2007. - 512 с.

39. Ластовин И.В. Решение прямой задачи гравиразведки палеточным способом на основе сплайн-аппроксимации источников поля. Днепропетровск: ДГИ. 1983. 13 с. Деп. 482Ук-Д83.

40. Лурье А.И. Теория упругости. М.: Наука, 1970. - 940 с.

41. Лучицкий А.И. Решение прямой задачи гравиметрии и магнитометрии для многогранника с линейной и квадратичной плотностью/А.И. Лучицкий, Л.В. Гричук // Теория и практика интерпретации гравитационных аномалий. -М.,Изд.ИФЗ.- 1982.-С. 138-203.

42. Магницкий В.А. Основы физики Земли/ В.А. Магницкий. — М.: Геодезиз-дат. 1953.-290 с.

43. Малинин Н.Н. Прикладная теория пластичности и ползучести. — М.: Машиностроение, 1975. — 318 с.

44. Марков Г.А. Напряженное состояние пород и горное давление в структурах гористого рельефа / Г.А. Марков, С.И. Савченко — Д.: Наука. 1984. 124 с.

45. Марков Г.А. Тектонические напряжения и горное давление в рудниках Хибинского массива. Д.: Наука. 1977. - 214 с.

46. Мартынова Т.А., Вадковский В.Н. Исследование распределения напряжений в зонах разломов./Сб. Магнетизм горных пород и палеомагнетизм. М., 1969, С. 45-47.

47. Маслов Л.А. Расчет скоростей движений земной коры по аномалиям высот геоида.//Физика Земли. -№11.- 1989. С. 96 - 102.

48. Маслов Л.А. О связи вертикальных перемещений поверхности Земли с гравитационным полем, вызванным внутренними источника-ми//Тихоокеанская геология. 1982. - №4, С. 58 -64.

49. Маслов Л.А. Модель напряженно-деформированного состояния среды в области проявления гравитационной аномалии: Препринт/ Л.А. Маслов, А.Е. Молчанов // М., ИФЗ АН СССР, 1980, №2, 10 с.

50. Маслов Л.А., Комова О.С. Численное моделирование глубинных геодинамических процессов в активных окраинах. /Физика Земли, №3, 1990 С. 53 —

51. Матусевич А.В. Объемное моделирование геологических объектов на ЭВМ / А.В. Матусевич. М.: Недра, 1988. - 184 с.

52. Мегеря В.М. Применение детальной гравиразведки в комплексе с другими методами при изучении нефтегазоносности структур на склонах Сургутского и Нижневартовского сводов. Автореф. дис. . канд. геол.-минерал. наук. 04.00.12 Пермь, 1982. - 24 с

53. Миндлин Р., Чень Д. Сосредоточенная сила в упругом полупространст-ве.Шеханика. 1952. - №4(14). - С. 118 - 133.

54. Мохова Е.Н. Прямоугольная призма постоянной восприимчивости в однородном магнитном поле.// Изв. АН СССР. Сер. геоф., -1958. №3. - С. 387 -390.

55. Нагата Т. Магнетизм горных пород: пер.с яп./ М.: Мир, 1965. 346

56. Напряженно-деформированное состояние и устойчивость скальных склонов и бортов карьеров. (Материалы 6 Всесоюзной конференции по механике горных пород.) Фрунзе, изд. Илим, 1979. 402 с.

57. Новоселицкий В.М., Гордин В.М. Построение горизонтальной слоисто-зональной модели плотностного разреза осадочной толщи по данным грави-разведки./Сб. "Геофизические изыскания". Вып. 1, 1975. С. 115 128.

58. Нульман А.А. Магнитная восприимчивость сильномагнитных горных пород в условиях гидростатического сжатия: Автореф. дис . канд. ф.-м. наук. Свердловск, 1980. — 23 с.

59. Осокина Д.Н. Пластичные и упругие низкомодульные оптически-активные материалы для исследования напряжений в земной коре методом моделировании//. М.: Изд. АН. СССР. 1963, 196 с.

60. Опарин В.Н. К задаче определения ориентации главных напряжений методом скважинной электрометрии. //Геофизические методы контроля напряжений в горных породах. Новосибирск, 1983, С. 3 — 8.

61. Паркинсон У. Введение в геомагнетизм. Пер. с англ./ У. Паркинсон. М.: Мир, 1986.-528 с.

62. Пахомов М.И., Пахомов В.И. Петрофизический метод выделения и оценки метасоматитов. — М.: Недра. 1988. — 152 с.

63. Петрова Г.Н., Юхновец Н.И. Изменение магнитных свойств горных пород в зоне разлома/ Г.Н. Петрова, Н.И. Юхновец //Изв. АН СССР. Сер. геоф., 1953.-№2.-С. 115-123.

64. Петрофизика: Справочник. В 3 кн. Кн. 1. Горные породы и полезные ископаемые/Под ред. Дортман Н.Б. М.: Недра, 1992. - 391 с.

65. То же. Кн. 2. Земная кора и мантия. 286 с.

66. Поля напряжений и деформаций в земной коре: Сб. ст./АН СССР ИФЗ. Отв. Ред. Буланже Ю. М.: Наука, 1987. 183 с.

67. Поля напряжений и деформаций в литосфере. М.: Наука, 1979, - 256 с.

68. Пономарев B.C. Особенности напряженного состояния неравновесной геофизической среды.//Известия Ан СССР, Сер. Физика Земли, 1987, №4, С. 94 -97.

69. Ржевский В.В., Новик Г.Я. Основы физики горных пород. 3-е изд, пере-раб. и доп. М.: недра, 1978. - 390 с.

70. Ревякин П.С. Высокоточная магниторазведка/ Ревякин П.С., Бродовой В.В., Ревякина Э.А // М.: Недра, 1986, 272 с.

71. Рыльникова М.В. Геомеханика / М.В. Рыльникова, О.В.Зотеев. М.: Руда и металлы, 2003. — 240 с.

72. Савинский И.Д. Программные системы обработки и интерпретации гравитационных и магнитных данных// Геофизика. 1995. - №1. - С. 24 - 28.

73. Сила тяжести и тектоника. М.: Мир, 1975. — 504 с.

74. Слепак З.М. Применение гравиразведки при поисках нефтеперспектив-ных структур. -М.: Недра, 1989. 200 с.

75. Слепак З.М. Применение гравиразведки для изучения нефтегазоносных структур. -М.: Недра. 1980. 152 с.

76. Сначев В.И., Шулькин Е.П., Муркин В.П., Кузнецов Н.С. Магматизм Восточно-Уральского пояса Южного Урала./ВНЦ УРО АН СССР. Уфа, 1990. 179 с.

77. Соловьев Г.А. Петрофизическая характеристика эндогенных месторождений/ Г.А. Соловьев. М.: Недра, 1984. - 224 с.

78. Старостин В.И. Геодинамика и петрофизика рудных полей и месторождений/ В.И. Старостин. М.: 1984. - 204 с

79. Старостин В.И. Палеотектонические режимы и механизмы формирования структур рудных месторождений. -М.: Недра, 1988, 256 с.

80. Стечкин С.Б., Субботин Ю. Н. Сплайны в вычислительной математике. -М.: Наука, 1976.-248 с.

81. Стовас М.В. Избранные труды. Ч. 1 -М.: Недра, 1975. 156 с.

82. Страхов В.Н. Основные направления теории и методологии интерпретации геофизических данных на рубеже XXI столетия // Геофизика. -1995. -№3.-С. 9-18.

83. Страхов В.Н. Об общих решениях обратных задач гравиметрии и магни-тометрии//Известия вузов. Геология и разведка. №4. — 1978. - С. 105 - 117.

84. Страхов В.Н. Некоторые вопросы интерпретации геомагнитных измерений в океане./ Магнитные аномалии океанов и новая глобальная тектоника. М.: Наука, 1981, С. 20 59.

85. Теркот Д., Шуберт Дж. Геодинамика: Геологические приложения физики сплошных сред. Ч. 1: Пер. с англ. М.: Мир, 1985. — 376 с.

86. Тимофеев А.Н. Об интерпретации магнитных аномалий в случае изменяющейся магнитной восприимчивости горных пород. /Вопросы разведочной геофизики. Вып. 1. 1960. - С. 137 -146.

87. Туезова Н.А. Физические свойства горных пород Западно-Сибирской нефтегазоносной провинции/ Н.А. Туезова,Л.М. Дорогницкая, Р.Г. Демина, Н.И. Брюзгина //М.: Недра, 1975. 184 с.

88. Турчанинов И.А. Основы механики горных пород./ И.А.Турчанинов, М.А. Иофис, Э.В. Каспарян -Л.: Недра, 1977. 503 с.

89. Троян В.Н. Методы аппроксимации геофизических данных на ЭВМ/ Тро-ян В.Н., Соколов Ю.М. Л.: Изд. ЛГУ, 1989. - 304 с.

90. Трубицын А.П. Упругие напряжения связанные с неровностями плотно-стных границ раздела в Земле // Физика Земли. 1979. - №12. - С. 15 - 22.

91. Трухин В.И., Жиляева В.А., Зинчук Н.Н. и др. Магнетизм кимберлитов и траппов./ В.И. Трухин, В.А. Жиляева, Н.Н. Зинчук и др. М.: Изд. МГУ, 1989

92. Тяпкин К.Ф. Изучение разломных структур докембрия геолого-геофизическими методами. Киев: Наукова думка, 1986. - 166 с.

93. Ферхуген Дж., Тернер Ф., Вейс Л. и др. Земля Введение в общую геологию: Пер. с англ. М.: Мир,, т. 1, 1974. 392 с.

94. Физические свойства горных пород и полезных ископаемых (петрофизи-ка. Справочник геофизика. М.: Недра, 1984. - 455 с.

95. Филатов В.В. Применение гравиметрии для тектоно-физического анализа / В.В. Филатов, Н.С. Кузнецов//Известия вузов. Геология и разведка. — 1989. -№4.-С. 97-102.

96. Филатов В.В. Влияние механических напряжений на магнитные свойства ферромагнитных минералов и горных пород. Деп. "Изв. Высш. Уч. зав. "Геология и разведка"", 1986.

97. Филатов В.В. Теоретические основы метода оценки деформаций по гравитационному полю/Сб. научн. Трудов ВНИИТ, Геофизические аспекты геологического строения месторождений калийных солей., JL 1989, С. 155 — 161.

98. Филатов В.В. Теория и практика геодинамического анализа гравитационного поля (на примере рудных районов Урала): Дис. . д-ра геол.-минерал. наук: 04.00.12. Свердловск, 1990. - 377 с.

99. Фотади Э.Э. К теории временных возмущений гравитационного и магнитного полей в связи с современными тектоно-физическими процессами в земле/ Э.Э. Фотади, Г.И. Каратаев, В.И. Щеглов //ДАН СССР, 1966. т. 171, №3. - С. 590-592.

100. Цок Н.О. Решение обратной задачи гравиразведки для контактной поверхности аппроксимированной с помощью сплайнов// Докл. АН УССР, 1982. №8. - С. 31 -33.

101. Шолпо JI.E. Использование магнетизма горных пород для решения геологических задач / JI.E. Шолпо. Л.: Недра, 1977. - 182 с.

102. Fajklewicz Z. Gebirgslage und grawimetrische Mikroanjmalien./Freib/ Forsch. H. С 368/ Geowissenschaften/ Geophysik. 1981. S. 163 166/

103. Pedersen L.B., Rasmussen T.M. The gradient tensor of potential fielid anomalies: Some implications on data collection and data processing of maps. 55. 1558- 1556. 1990.1. Фондовая литература

104. Филатов B.B., Виноградов В.Б. Совершенствование методики оценки напряженно-деформированного состояния среды по геофизическим данным. Отчет по теме 62-204-89./ Свердловский горный институт; Руководитель В.В. Филатов; Свердловск. 1990.

105. Ольховников Ю.П. Физико-механичесике характеристики пестроцвет-ной известково-песчанистой толщи / ПО «Уралкалий». Пермь. 1977.

106. Sf" : ; создаваем» пдотиопниии'не'йдкорадиостаки в гравитационном поле, >. .

107. Л* • ' .* ' • ~ '-■ " 4 V * ■ •

108. ШЭНа ЕаучЕ0-исследовагеи,окн1 рай от1. Качес вэтао яовое 'тшгавр^штвн. Ыы. НШоШий* иьш, адщ^р^^ ^

Информация о работе

Виноградов, Владислав Борисович
кандидата геолого-минералогических наук
Екатеринбург, 2008
ВАК 25.00.10

Диссертация

Методика физико-геологического моделирования объектов с переменной плотностью и намагниченностью - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы