Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Поле напряжений горных пород

Как уже отмечалось, находящаяся на некоторой глубине горная порода должна выдерживать вес перекрывающих пород, т- е. твердого скелета пород и пластовых флюидов. Из уравнения ( 8.2 ) видно, что эффективный градиент напряжений, возникающий под действием этой нагрузки,

σ/Н = (S — p_f)/H. (8.4)

За исключением горных районов и массивов, прилегающих к соляным куполам, градиент геостатического давления действует в вертикальном направлении. Поскольку горные породы по своей природе вязкоупруги, вертикальные напряжения порождают горизонтальные составляющие. По мнению Итона, горизонтальные составляющие напряжения равномерно распределены и могут быть определены с помощью коэффициента Пуассона, который равен отношению относительной поперечной деформации к относительной продольной деформации. Однако это положение в своей основе несет допущение о том, что осадочные породы находятся в замкнутом жестком объеме, поэтому никакого бокового перемещения не происходит. На самом деле эти боковые перемещения все-таки происходят, что подтверждается обширными сбросами, наблюдаемыми в земной коре.

Хабберт и Уиллис показали, что горизонтальные напряжения видоизменяются под действием тектонических сил, которые действуют на протяжении всей геологической истории. Они сводят действительные напряжения в горных породах к трем неравным основным составляющим, которые действуют под прямыми углами друг к другу. В таком случае σ₁ — наибольшее основное напряжение независимо от его направления, σ₂ — промежуточное по амплитуде основное напряжение, а σ₃ — наименьшее основное напряжение. Три возможные схемы действия этих напряжений показаны на рис. 8.7.Когда разность между σ₁ и σ₃превышает прочность горной породы, происходит сброс и напряжение снимается, но затем постепенно возрастает вновь.

Условия возникновения сброса могут быть выявлены путем построения диаграммы Мора на основании результатов испытания образцов горных пород в камере при трехмерных нагрузках. Рассмотрим рис. 8.8, на котором значения продольного и поперечного напряжения ( σ₁ и σ₃ соответственно) при максимальном напряжении сдвига на кривой «деформация — напряжение» отложены на оси абсцисс, а через отрезок, соответствующий их разности, проведена окружность с центром на этой оси. Эта процедура повторяется для нескольких значений давления обжима. Площадь, ограниченная касательными к полученным окружностям, определяет условие устойчивости. Точка пересечения линии разрушения с осью ординат дает значение прочности сцепления с горной породы, а наклон φ этой линии определяет угол внутреннего трения, который является мерой пластичности.

Рис. 8.7. Возможные схемы проявления главных напряжений в земной коре

Рис. 8.8. Диаграмма Мора для пластического разрушения:

I — напряжение сдвига; 2 — нормальное напряжение; 3 — дифференциальное напряжение; 4 —линия разрушения; 5 — зона неустойчивости; 6 — зона устойчивости

Рис.8.9Проявление тектонических сил в земной коре:

а) нормальный сброс, растягивающие тектонические силы σ₁₌S-p_f, σ_3≥1/3 (S-p_f); б-надвиг,сжимающие тектонические силы σ₃₌S-p_f, (S-p_f)< σ₁<3(S-p_f)

С учетом геометрических соотношений на диаграмме Мора можно показать, что наименьшее главное напряжение при сбросе определяется выражением

σ₃ = σ₁ (1—sin φ)/(1 +sinφ)— (2c cosφ)/(l + sinφ). (8.5)

Хабберт и Уиллис показали, что для несцементированного песка с = 0, а ср = 30°; в этом случае уравнение (8.5) принимает вид σ₃ = σ₁ /3. Эта зависимость справедлива для песчаников и ангидрита. На основании этих исследований был сделан вывод о том, что в таких районах, как северное побережье Мексиканского залива, где тектонические силы ослаблены и преобладают сбросы растяжения (рис. 8.9, а),, σ₃ по-видимому, должно быть горизонтальным, а его значение должно колебаться от 1/3 σ₁до 1/2 σ₁в зависимости от истории развития напряжений.

Рис.8.10 Диаграмма Мора для нелитифицированной глины.угол внутреннего трения φ равен нулю в сильно пластичном материале. Разрушение происходит,когда σ₁- σ₃ в 2 раза больше прочности сцепления с:1-зона неустойчивости;2-зона устойчивости.

В районах, где действуют активные тектонические силы сжатия, о чем свидетельствует существование надвигов (рис-8.9, б), σ₁ по-видимому, должно быть горизонтальным, а — σ₃ -вертикальным. В этом случае горизонтальное напряжение может втрое превышать вертикальное, в результате поверхность Земли будет подниматься.

Следует помнить, что зависимость между σ₁ и σ₃, предложенная Хаббертом и Уиллисом, справедлива только для приведенных значений с и φ. Для горных пород с существенно изменяющимися этими параметрами соотношение между σ₁ и σ₃ может быть выведено из уравнения (8.5). Например, для нелитифицированных глин φ = 0 (рис. 8.10), и уравнение (8.5) принимает вид

σ₃₌ σ₁-2с (8.6)

⇐ Предыдущая 1 2 345 6 7 Следующая ⇒