Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Теория и методология структурно-тектонического анализа в карстоведении

ВАК РФ 04.00.01, Общая и региональная геология

Текст научной работыДиссертация по геологии, доктора геолого-минералогических наук, Катаев, Валерий Николаевич, Пермь

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Пермский государственный университет

На правах рукописи

КАТАЕВ Валерий Николаевич

ТЕОРИЯ И МЕТОДОЛОГИЯ СТРУКТУРНО-ТЕКТОНИЧЕСКОГО АНАЛИЗА В КАРСТОВЕДЕНИИ

Специальность 04.00.01 общая и региональная геология

Диссертация на соискание ученой степени доктора геолого-минералогических наук

---,4---¿У И

Пермь - 1999 11 ( *

э Пермь

...........2......: Ж.

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................5

Глава 1. МЕТОДОЛОГИЯ СТРУКТУРНО-ТЕКТОНИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ЗАКАРСТОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ........................................................17

1.1. Карстосфера: общие понятия и структура.............................................17

1.1.1. Задачи современного карстоведения....................................................17

1.1.2. Анализ понятий о карстосфере. Методологическая суть понятия «карстосфера».......................................................................................................20

1.2. Развитие взглядов на структуру и гидрогеологию карстосферы................28

1.2.1. Карстогенетическая роль структурообразующих элементов........................29

1.2.2. Вертикальная гидродинамическая зональность карстосферы........................40

1.3. Карстовые массивы и бассейны: основные понятия и методы исследования.......................................................................................................47

1.3.1. Основы системного подхода к исследованиям карстовых массивов. Терминологические аспекты.....................................................................................47

1.3.2. Структурные элементы и уровни их исследований....................................57

1.3.3. Трещинная проницаемость карстовых массивов и спелеогенез....................66

1.3.4. Модель деформационно-напряженного состояния карстосферы...................82

1.4. Типы карстогенетических обстановок.................................................101

1.4.1. Структурно-тектонические и литологические характеристики обстановок интенсивного и глубинного карстообразования.................................................101

1.4.2. Типизация обстановок карстообразования (на примере территории Пермского Приуралья)............................................................................................114

Глава 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ОСНОВЫ СТРУКТУРНО-ТЕКСТУРНОГО И СТРУКТУРНО-ТЕКТОНИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ЗАКАРСТОВАННЫХ ПОРОД...........................................................................119

2.1. Вещественный состав, структурно-текстурные ассоциации и закарстован-ность пород..........................................................................................119

2.1.1. Состав пород, их физико-механические свойства и закарстованность...........120

2.1.2. Структурно-текстурные особенности пород и закарстованность..................129

2.2. Соотношение минералогического состава, структурно-текстурных неодно-родностей микроуровня, макротрещин и карстовых форм............................134

2.2.1. Минералогический состав пород, трещины и карстовые формы..................136

2.2.2. Особенности деформаций элементов микроструктур при тепловом и механическом воздействиях...................................................................................146

2.2.3. Структурно-текстурные особенности пород на микроуровне, их анализ........157

2.3. Распределение трещин в пласте осадочных горных пород. Элементы анализа

трещинной структуры.............................................................................177

2.3.1. Трещиноватость приповерхностных зон карстовых массивов......................177

2.3.2. Распределение трещин в горизонтально залегающих пластах......................192

2.3.3. Распределение тектонических трещин в деформированном пласте горных пород......................................................................................................200

2.3.4. Трещины бортового отпора и закарстованность.......................................210

Глава 3. СТРУКТУРНО-ТЕКТОНИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ КАРСТОВЫХ МАССИВОВ....................................................................................................217

3.1. Анализ соотношений полей напряжений, тектонической трещиноватости и закарстованности в породах складчатых структур......................................217

3.1.1. Карст и складчатые дислокации - особенности латеральной зональности.......220

3.1.2. Аспекты анализа соотношения структурного плана территории, трещиноватости и закарстованности..................................................................................233

3.1.3. Напряжения и трещиноватость в породах складок поперечного изгиба.........247

3.1.4. Напряжения и трещиноватость в породах складок продольного сжатия........262

3.2. Структурно-кинематический анализ карстовых массивов.......................273

3.2.1. Общие положения анализа.................................................................273

3.2.2. Анализ трещинно-карстовой структуры карбонатных массивов (на примере юго-восточной части поднятия Мендип, Англия).............................................275

3.2.3. Анализ трещинно-карстовой структуры сульфатно-карбонатных массивов (на примере массива Ледяная гора, Предуралье)..................................................299

Глава 4. КАРСТОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА И ПРОГНОЗ НА ЗАКАРСТОВАН-НЫХ ТЕРРИТОРИЯХ...........................................................................319

4.1. Проблемы картирования, районирования и типизации закарстованных территорий...............................................................................................319

4.1.1. Современное состояние проблем картирования, районирования и типизации закарстованных территорий.........................................................................319

4.1.2. Степень карстоопасности и её оценка...................................................324

4.1.3. Общие положения оценочно-прогностических действий...........................329

4.2. Методические аспекты карстологического районирования и типизации...338

4.2.1. Границы таксонов............................................................................342

4.2.2. Типы сочетаний карстующихся и перекрывающих отложений....................343

4.2.3. Признаки карстологической оценки.....................................................345

4.2.4. Количественные показатели оценки закарстованных территорий.................352

4.3. Районирование и типизация территорий по степени карстоопасности.......357

4.3.1. Среднемасштабное районирование закарстованных территорий (на примере юга Пермской области).................................................................................358

4.3.2. Крупномасштабная карстологическая оценка «закрытых» территорий (на при-

мере территории Чаньвинского промузла, Западный Урал)...............................371

4.3.3. Карстологическая оценка территории по степени трещиноватости (на примере территории полей пещер Воронцовская и Долгая, Западный Кавказ)...................381

4.3.4. Общая оценка техногенного прессинга в карстовых регионах (на примере территории Пермского Приуралья)..................................................................385

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................................................406

Библиографический список...................................................................432

ВВЕДЕНИЕ

Карстоведение, как наука, переживает этап переосмысления классических традиционных понятий, установившихся в 50-60-х годах XX в. Современные теоретические исследования не имеют ревизионного характера, но направлены на создание целостной, фундаментальной основы карстоведения. Иными словами, современная кар-стологическая мысль направлена на создание общей теории карста. В основе общей теории лежат представления о карстовом массиве, как о динамичной природной или природно-технической системе, характеризующейся комплексом взаимосвязанных геолого-гидрогеологических, структурно-тектонических, техногенных элементов, результат взаимодействия которых проявляется закономерно во времени и пространстве.

Региональные исследования расширили традиционные представления о лито-логических разностях карстующихся пород, о зональности и глубинности карстопро-явлений, химизме карстового процесса, его гидродинамике и механизме образования карстовых форм. Все это повлекло за собой необходимость а) систематизации терминов, понятий и категорий, используемых в карстоведении, б) углубления и расширения методологических основ науки, в) утверждения новых подходов при решении задач хозяйственного освоения закарстованных территорий.

Актуальность темы. На сегодняшний день наиболее проблемными являются исследования в области механизма и закономерностей, прогноза места, интенсивности и времени развития карстового процесса. Одним из наиболее важных направлений фундаментальных исследований является установление закономерностей пространственного распределения структурных форм массивов и их соответствующей карстогенетической роли. Естественно, что эти исследования необходимо обеспечить методической базой.

Активность карстовых процессов, их направленность обусловлена в первую очередь агрессивностью поверхностных и подземных вод, контролируемых во времени и пространстве структурными факторами, формирующими конкретные условия циркуляции подземных вод. Исследователей уже не удовлетворяет констатация наличия тех или иных водопроводящих форм в массиве и даже определение их усредненных гидродинамических параметров. Практика современного анализа карстовых и

карстово-технических систем требует рассмотрения не только форм карста, но процессов с непременным установлением их механизмов, закономерностей и направленности, что достигается в первую очередь выявлением характера соотношения структурных форм и выявлением взаимодействия их поверхностей с природными или техногенными растворами. Соотношение структурных форм устанавливается с достаточной степенью достоверности на основе комплексного анализа геологической, структурно-тектонической, геоморфологической, гидрогеологической, эволюции массива. Установление характера физико-химических взаимодействий пород и растворов невозможно без использования тонких физических и физико-химических методов, позволяющих проследить процесс взаимодействия от микроуровня. Исследователь в целях повышения эффективности прогноза должен иметь представление о причинах, определяющих скорость карстового процесс, его избирательность.

Выявление соотношения структурных форм является основой и для сугубо практических мероприятий поскольку, например, в инженерной геологии карста, основной задачей предпроектной стадии является оценка закономерностей распространения поверхностных и подземных карстопроявлений на единицу исследуемой площади. Несомненно, что объективность решения такой задачи выше, если оно основано на теории образования и эволюции структурных форм массива, локализующих карстовые формы. Именно поэтому в задачи на стадии разработки проектов помимо выявления прямыми и косвенными методами подземных проявлений карста, включено, например, установление структурно-тектонических условий и наличия тектонических нарушений, а также оценка степени трещиноватости пород массива.

Локализация зон карстопроявлений и отдельных полостей лежит в основе практических исследований карстовых массивов в гидрогеологических целях, целях промышленного и гражданского строительства. Эффективность прогнозов устойчивости на любом уровне исследований и для любых типов сооружений резко повышается при условии использования критериев структурно-тектонической однородности массивов, снижает степень непредсказуемости катастрофических проявлений. Основная сложность оценки карстоопасности состоит в том, что карстовые массивы крайне неоднородны по строению. Неоднородность во многом определяется разнообразием

структур ослабления массивов, имеющих широкий морфометрический диапазон - от микротрещин до разломных зон, протяженностью сотни метров и километры.

Прогноз карстового процесса базируется на следующем общем положении: закономерности распределения и развития карста избирательны в пространстве и прерывисты во времени. Прогноз возможен только в результате анализа строения кар-стующейся толщи и характера взаимодействия с ней водной составляющей данной толщи. Практика карстологических исследований свидетельствует, что наибольшая вероятность возникновения карстовых форм существует на контактах а) пород одного литологического типа, но разных по минеральному составу (известняки-доломиты), б) литологически разнородных карстующихся слоев (гипсы-карбонаты), в) карстую-щихся и некарстующихся пород. При этом наибольшее количество форм карста фиксируется вдоль границ стратиграфического, тектонического, магматического и фаци-ального типов. Зоны трещиноватости и отдельные трещины, являющиеся деструктивными границами, локализуют карстовые формы в силу их гидрогеологической активности. Локализация карста в современных и древних долинах (в том числе и погребенных) зачастую определяется наличием трещин бортового отпора, способствующих развитию эрозионно-гравитационных водообильных зон.

В данной работе предпринята попытка комплексного подхода к оценке карсто-логического влияния структурно-текстурных и структурно-тектонических неодно-родностей пород и карстового массива в целом, определяющих избирательность и направленность карстового процесса, а в конечном итоге устойчивость закарстован-ных территорий и карстоопасность. В результате применения структурно-текстурных и структурно-тектонических оценочных критериев развития карста повышается надежность локализации зон карстопроявлений и отдельных полостей.

Главная научная идея работы - создание концептуально-методических основ анализа развития структурных элементов карстовых массивов и их карстогенетиче-ской роли, обеспечивающих разноцелевые прогнозные мероприятия.

Данная идея определила основную цель работы, раскрыть пространственно-временную взаимосвязь и карстогенетическую суть структурных элементов массивов различных иерархических уровней и показать возможности структурно-тектонического анализа при решении прогнозно-оценочных карстологических задач

на основе применения структурно-текстурных и структурно-тектонических критериев развития карста.

Для достижения поставленной цели автором решались следующие задачи:

- определить место и роль структурно-текстурных и структурно-тектонических исследований в теоретических и прикладных направлениях карстоведения как науки;

- проанализировать значимость комплекса методов установления структурно-тектонического контроля локализации карстопроявлений, сложившегося в теории и практике карстологических исследований;

- логически организовать комплексы методов, традиционно используемые при кар-стологическом анализе территорий и «нетрадиционные» методы, используемые в геологических и негеологических науках в целях повышения эффективности анализа карстующихся пород и карстовых массивов;

- выявить и обосновать наиболее общие закономерности соотношения структурно-текстурных, минералогических и прочностных свойств карстующихся горных пород;

- на основе лабораторного анализа выявить и обосновать карстогенетическую роль структурно-текстурных особенностей карстующихся горных пород;

- на основе полевого анализа трещиноватости и закарстованности выявить и обосновать закономерности распределения и соотношения дизъюнктивных нарушений и карстовых форм;

- разработать и апробировать метод структурно-тектонического анализа карстовых массивов, учитывающий особенности пространственного соотношения различных генераций дизъюнктивов и карстовых форм, структурного плана территории, вариаций тектонического стресса;

- проанализировать комплекс оценочно-прогностических действий, применяемых в отношении закарстованных территорий, оценить его эффективность и показать расширение возможностей карстологического районирования и типизации при использовании в качестве основы комплекса структурно-текстурных и структурно-тектонических критериев оценки.

Научная новизна работы заключена в том, что в ней

- исходя из принципов генетической неразрывности и взаимообусловленности, рассмотрены теоретические аспекты эволюции структурных элементов карстовых массивов;

- определены и рассмотрены в комплексе структурно-текстурные и структурно-тектонические оценочные критерии избирательности карстового процесса, критерии локализации зон карстопроявлений и отдельных карстовых полостей;

- раскрыта методологическая суть понятия «карстосфера». На основе анализа ранних и современных схем вертикальной гидродинамической зональности карста, анализа распределения напряжений, деформаций и структурных элементов верхней части земной коры предложена теоретическая модель деформационно-напряженного состояния карстосферы - дополнительной основы для концептуальных построений ее этажности;

- сформулировано понятие «карстовый массив», представлена иерархическая соподчиненность структурных элементов карстовых массивов с комплексами методов исследований элементов соответствующих морфометрических интервалов;

- разработан, апробирован и предложен метод структурно-кинематического анализа карстовых массивов, направленный на определение периодов формирования трещин в общей структурно-тектонической эволюции района, установление особенностей распределения зон ослабления массива, установление пространственного соотношения зон трещиноватости и закарсто-ванности.

Предметом защиты являются следующие положения:

1. В основ�