Тема 5. Основные формы залегания геологических тел
Под действием силы тяжести и дополняющей ее центростремительной силы Земля приобрела шарообразную форму, которую последовательно повторяют все геосферы. Поэтому нормальное (первичное) залегание горных пород чаще всего является горизонтальным. Под действием центробежной силы, действующей по касательной к поверхности, вследствие неравномерного вращения Земли и перестройки недр в ходе эндогенных процессов, а также в результате экзогенных процессов первичное залегание геологических тел может быть нарушено.
Наиболее распространенной формой геологических тел, образуемых горными породами, являются пластообразные залежи.
Пласт геологическое тело осадочного генезиса, ограниченное субконгруэнтными88 поверхностями напластования вмещающих пород, мощность которого во много раз меньше протяженности по любому направлению. Так, пласт угля может быть прослежен на площади от единиц до десятков тысяч км2, при мощности в несколько метров. Пласт – основной элемент стратифицированной89 толщи может включать подобные себе составляющие: пачки, слои, прослои (пропластки). Наименьшую распространенность имеют прослои. Горные породы, подстилающие пласт, образуют почву пласта. Нижняя поверхность пласта, непосредственно контактирующая с почвой, называется подошвой. Горные породы, перекрывающие пласт, образуют кровлю пласта.
Вмещающие породы со стороны почвы наклонного пласта часто называют лежачим боком, а со стороны кровли висячим боком.
Пласты характеризуются положением в пространстве, морфологией, строением, мощностью, размерами по простиранию и падению, выдержанностью и нарушенностью.
Положение в пространстве наклонно залегающих геологических тел определяется элементами залегания – углом падения, азимутами простирания и падения (рис. 22). Угол падения характеризует наибольшую крутизну пласта и оценивается двугранным углом между поверхностью пласта и горизонтальной плоскостью в вертикальном сечении. Луч угла падения, расположенный на поверхности пласта, называется линией падения-восстания. Направление падения выражается азимутом падения. Азимут - горизонтальный угол, отсчитываемый от северного направления меридиана до данного направления по ходу часовой стрелки, изменяется от 0 до 360º. Азимуты падения и восстания пласта отличаются на 180º. Прямая в плоскости пласта перпендикулярная его падению (восстанию) называется простиранием пласта. Линия простирания – след горизонтальной плоскости на поверхности пласта, залегающего с наклоном.
Рис. 22. Элементы залегания пласта: аб — линия простирания; дг — линия падения; — угол падения. Q – горизонтальная плоскость, Р – вертикальная плоскость
На плане азимуты падения и простирания отнесенные к одной точке образуют азимутальный крест. Линия пересечения подошвы или кровли пласта с горизонтальной плоскостью, определяет положение точек с равными отметками на поверхности пласта и называется стратоизогипсой. Проекции стратоизогипс на вертикальную плоскость образуют систему горизонтальных линий, отстоящих на высоту сечения. Проекции стратоизогипс на горизонтальную плоскость образуют систему субконгруэнтных линий, расстояние между которыми называется заложением. Стратоизогипса может быть аппроксимирована отрезками прямых, каждый из которых представляет собой линию простирания на отдельном участке.
Элементы залегания пласта могут быть определены прямым замером, аналитически, путем геометрических построений по структурным картам или данным бурения.
Горный компас – угломерный прибор для определения элементов залегания структурообразующих поверхностей и ориентирования на местности (рис. 23). Угломерная часть горного компаса монтируется на прямоугольном основании, длинные стороны которого параллельны диаметру 0-180º (СЮ) азимутального кольца (лимба). От обычного компаса он отличается тем, что 1) лимб градуирован против часовой стрелки; 2) имеет отвес (клинометр) для замеров углов падения; 3) часто снабжен уровнем; 4) имеет устройство ввода поправки магнитного склонения90. При замере азимута заданного направления длинную сторону горного компаса направляют «северной» стороной на визируемый предмет и берут отсчет по северному концу магнитной стрелки. Угол падения измеряют, прикладывая горный компас в вертикальном положении длинной стороной к линии падения и беря отсчет по зубцу отвеса.
Рис. 23. Горный компас. 1 — основание; 2 — лимб круга; 3 — магнитная стрелка; 4 — острие, на котором вращается магнитная стрелка; 5 — зажимный винт магнитной стрелки; 6 — отвес; 7 — лимб отвеса; 8 — зажим отвеса; 9 — северный конец магнитной стрелки (БСЭ)
В зависимости от величины угла падения различают пласты: горизонтальные (до 10о), пологие (10-18о), наклонные (19–35о), крутонаклонные (36–55о) и крутые (56–90о). Углы падения влияют на выбор способов и схем вскрытия, условия ведения горных работ, степень извлекаемости (технологичности) запасов полезного ископаемого91. Группировка по углам падения обусловлена при подземных работах условиями транспортировки горной массы, а при открытых работах особенностями технологии ведения горных работ.
Рельсовый транспорт используется в горизонтальных горных выработках, транспортеры с гладкой лентой эффективны при углах падения до 18о, скребковые конвейеры применяются в наклонных горных выработках, при крутом залегании отбитая горная масса свободно перемещается под действием силы тяжести. Эффективные средства транспортировки горной массы по поверхностям с углами наклона 36–55о пока не разработаны. Для работы горного оборудования наиболее благоприятны углы падения пластов до 12о, когда сила тяжести обеспечивает устойчивое положение механизмов при работе по падению или восстанию. Очистные комплексы на угольных шахтах рассчитаны для работы на пластах с падением до 35о.
На открытых горных работах при горизонтальном и пологом залегании вскрытие производят сразу на всю глубину карьера, как правило, внешними траншеями, применяют бестранспортную систему вскрышных работ, вскрышу92 складируют во внутренних отвалах. Наклонные и крутые пласты вскрывают внутренними траншеями, вскрышные породы направляют во внешний отвал, число уступов, находящихся в одновременной работе не постоянно, во времени объемы горно-подготовительных работ на 1 т добычи возрастают, фронт очистных работ сокращается, длина транспортных путей увеличивается. При разработке наклонного пласта по условиям устойчивости борта каарьера не требуется выемка вскрышных пород лежачего бока. При крутом залегании вскрыша производится как по висячему, так по лежачему и боку.
Морфология пласта – одна из важнейших характеристик, определяемая, прежде всего: мощностью, составом и строением, площадью распространения, характером и степенью изменчивости пласта. Морфологический облик пласта определяется сочетанием неоднородностей разного масштаба, что выражается в анизотропии мощности и строения.
Мощность пласта - расстояние между кровлей и почвой пласта – основной морфологический параметр. Различают мощность пласта: горизонтальную (mг), вертикальную (mв), видимую замеренную (mсл) в случайном направлении и истинную (нормальную) (mи) (рис. 24).
Рис. 24. Соотношения видов мощностей пласта в разрезе (а) и в плане (б)
Видимая мощность пласта – расстояние между кровлей и подошвой пласта, измеренное по произвольному направлению. Истинная мощность пласта – кратчайшее (по нормали) расстояние между кровлей и подошвой пласта. Между мощностями пласта по различным направлениям существует функциональная зависимость:
mи = mr×sinb = mв×cosb = mсл×(cosa×cosb + sina×sinb)×cosy,
где b – угол падения пласта,
a – азимут замера по случайному направлению,
y – угол между азимутами падения пласта и замера.
При подземной разработке угольных месторождений пласты разделяются на весьма тонкие до 0,7 м, тонкие 0,71-1,3 м, средней мощности 1,31-2-3,5 м и мощные 3,51-5->5 м. При открытой разработке мощность пластов до 3,5 м считается малой, средней от 3,51 м с учетом угла падения до 15-20 м и мощные от 15-20 м. Каждой группе поставлены в соответствие комплексы и агрегаты, обеспечивающие наиболее эффективную отработку угольных пластов определенной мощности. Весьма тонкие пласты угля в настоящее время считаются нетехнологичными.
Преобладающее
число пластов относится к категории
весьма тонких и тонких, сверхмощные
пласты угля встречаются крайне редко
(рис. 25). Максимальная мощность угольных
пластов известна на месторождениях
Хет-Крик (Канада. Kz.
Б) – 475 м, Латроб-Вэлли (Австралия. Kz.
Б) – 330 м, в Челябинском бассейне (Россия.
Т. Б) – 250 м, Экибастузском бассейне
(Казахстан) и месторождении Фушунь (КНР.
P
ДБ) – 200 м.
Рис. 25. Распределение угольных пластов по мощности (выборка из 2406 пластов по 210 месторождениям) (по Волкову В.Н.)
Основные закономерности образования и возрастного соотношения пластов сформулированы следующим образом:
- во время отложения осадки, формирующие пласт, отлагаются горизонтально (т. к. осадок, под действием силы тяжести выпадает из водной или воздушной среды вертикально); из пары слоев в ненарушенном залегании подстилающий слой является более древним (принцип суперпозиции) (законы Н. Стенона, 1669);
- расположение горных пород в непрерывном разрезе осадочных толщ, соответствует их расположению на площади осадконакопления (закон Н.А. Головкинского – Й. Вальтера);
- одновозрастные осадки содержат схожие комплексы ископаемых организмов, которые сменяют друг друга в определенном порядке (принцип У. Смита);
- секущая магматическая порода всегда моложе той породы, которую она рассекает (закон пересечений), а включения всегда старше вмещающей породы (закон включений) (закон Дж. Геттона);
- каждому отрезку геологического времени соответствует уникальные комплексы организмов (закон Ч. Дарвина).
Эти сейчас очевидные истины заложили основу геологического картирования.
Нарушение форм первичного залегания горных пород, вызванные тектоническими движениями земной коры, магматической деятельностью, метаморфизмом, экзогенными процессами (движения ледников, оползни, карст, речная эрозия и др.) носят названия дислокации. Дислокации подразделяются на складчатые (пликативные) и разрывные (дизъюнктивные); иногда выделяются ещё и инъективные дислокации.
Разнообразие процессов и условий образование магматических горных пород обусловливает разнообразие форм их тел. Простейшая классификация тел интрузивных и гипабиссальных пород основывается на их расположении относительно вмещающих пород. По этому признаку тела кристаллических магматических пород делятся на согласные (конкордантные) и несогласные (секущие, дискордантные). Согласные тела: силлы, лакколиты и лополиты. Несогласные дайки, штоки, некки, жилы
Силл - пластообразное тело интрузивных горных пород, залегающее согласно с вмещающими слоистыми породами (рис. 30). Площадь силла может составлять несколько тысяч километров, при мощности в сотни метров. Особенно часто встречаются силлы образованные основными и ультраосновными магматическими горными породами.
Рис. 30. Разрез толщи, пораженной силлами