Современная геодинамика и вариации физических свойств горных пород

московский 
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 
ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ 

РЕДАКЦИОННЫЙ 

С
О
В
Е
Т 

ИЗДАТЕЛЬСТВО 

МОСКОВСКОГО 

ГОСУДАРСТВЕННОГО 

ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА 

Председатель 

Л.А. 
ПУЧКОВ 
ректор 
МГГУ, 
чл.-корр. 
РАН 

Зам. 
председателя 

Л.Х. 
ГИТИС 
директор 
Издательства 
МГГУ 

Члены 
редсовеша 

ИВ. 
ДЕМЕНТЬЕВ 
академик 
РАЕН 

А.П. 
ДМИТРИЕВ 
академик 
РАЕН 

Б.А. 
КАРТОЗИЯ 
академик 
РАЕН 

М.В. 
КУРЛЕНЯ 
академик 
РАН 

В.И. 
ОСИПОВ 
академик 
РАН 

Э.М. 
СОКОЛОВ 
академик 
МАН 
В 
III 

КН. 
ТРУБЕЦКОЙ 
академик 
РАН 

В.В. 
ХРОНИН 
профессор 

В.А. 
ЧАНТУРИЯ 
академик 
РАН 

Е.И. 
ШЕМЯКИН 
академик 
РАН 

MINING SCIENCES 

Yu.O. Kuzmin 
V.S. Zhukov 

RECENT 
GEODYNAMICS 
AND PHYSICAL 
PROPERTIES 
VARIATIONS 
OF ROCKS 

M O S C O W 

P U B L I S H I N G 
H O U S E 

O F M O S C O W S T A T E 
M I N I N G 

U N I V E R S I T Y 
2004 

A 

Yu.O. Kuzmin 
V.S. Zhukov 

RECENT 
GEODYNAMICS 
AND PHYSICAL 
PROPERTIES 
VARIATIONS 
OF ROCKS 

M O S C O W 

P U B L I S H I N G 
H O U S E 

O F M O S C O W S T A T E 
M I N I N G 

U N I V E R S I T Y 
2004 

ii 

ГОРНЫЕ НАУКИ 

Ю.О. Кузьмин 
B.C. Жуков 

ГОРНЫЕ НАУКИ 

СОВРЕМЕННАЯ 
ГЕОДИНАМИКА 
И ВАРИАЦИИ 
ФИЗИЧЕСКИХ 
СВОЙСТВ 
ГОРНЫХ ПОРОД 

М О С К В А 
ИЗДАТЕЛЬСТВО 
М О С К О В С К О Г О 
ГОСУДАРСТВЕННОГО 
ГОРНОГО 
У Н И В Е Р С И Т Е Т А 
А 

М О С К В А 
ИЗДАТЕЛЬСТВО 
М О С К О В С К О Г О 
ГОСУДАРСТВЕННОГО 
ГОРНОГО 
У Н И В Е Р С И Т Е Т А 

X \_/А АIV-/L KJ J i l l l J J U I V_^X 1 L Lit L A 
2004 

УДК 551.24: 551.243:550.342: 553:.98:622.1:622.83 
ББК 26.3:26.34 
К 89 

Книга соответствует 
«Гигиеническим требованиям к изданиям книжным 
для взрослых. СанПиН 1.2.1253-03», утвержденным 
Главным 
государственным санитарным врачом России 30 марта 2003 г. 

Рецензенты: 

• 
д-р техн. наук, проф. В.М. Максимов (Институт проблем нефти и газа 
РАН); 
• 
д-р техн. наук, проф. ВН. 
Попов 
(Московский 
государственный 
горный университет) 

Кузьмин Ю.О., Жуков B . C . 

К 89 
Современная геодинамика и вариации физических свойств горных 
пород. — М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2004. — 262 с. 

ISBN 5-7418-0368-7 (в пер.) 

Обосновано существование нового класса современных геодинам н чес к их процессов в 
зонах разломов — параметрически индуцированных суперинтенсивньн деформаций (СД) 
земной поверхности. Показано, что наличие СД-процессов в платформенных, асейсмнчных 
регионах диктует необходимость перехода от понятия «активный разлом» к понятию «опасный разлом» и радикальной коррекции нормативов, регламентирующих эколого-промышленную безопасность. Впервые проведено лабораторное моделирование деформационных 
процессов в условиях искусственно созданного «геодинамического полигона» на образцах 
горных пород. Получена уникальная информация о динамике физических свойств горных 
пород в условиях длительно действующих (порядка ] года) квазистатических нагрузок. Осуществлены эксперименты, имитирующие процесс разработки месторождений нефти или газа. 
Разработанные подходы могут быть использованы при оценке геодипамического риска особо 
ответственных объектов. 

Для специалистов в области геофизики, геологии, маркшейдерии, геодезии, экологии, 
оценки промышленного и страхового риска. Может служить учебным пособием для студентов 
вузов по соответствующим специальностям. 

Табл. 4, ил. 62, список лит. —244 назв. 

УДК 551.24: 551.243:550.342: 553:.98:622.1:622.83 

ББК 26.3:26.34 

Kuzmin Yu.O., Zhukov V.S. 

Recent geodynamics and physical properties variations of rocks. — Moscow: Publishing House of Moscow State Mining University, 2004. — 262 p. 

Existence of a new class of recent geodynamic processes in fault zones — parametric induced 
super in tensive deformations (SD) of a terrestrial surface is proved. Presence SD of processes is 
shown, that, is especial in platform, aseismically regions, dictates necessity of transition from concept 
«an active faulD> to concept «a dangerous faull» and radical correction of the existing normative 
documents regulating industrial and ecological safety of industrial and civil objects. 

For the first lime laboratory modeling processes of deformation and destruction in conditions is 
carried out is artificial created «geodynamic lest агеа» on rocks samples. The unique information on 
character of physical properties changes of rock samples in conditions is long testing (about I year) 
quasi-static loadings. The experiments simulating process of development of oil fields or gas are carried out. Developed methodical and interpretation approaches can be used at carrying out and an estimation of geodynamic risk of especially responsible and ecologically dangerous objects. 

ISBN 5-7418-0368-7 
© Ю.О. Кузьмин, B.C. Жуков, 2004 
© Издательство МГТУ, 2004 
© Издательство «Горная книга», 2004 
© Дизайн книги. Издательство МГГУ, 2004 

Читатель, дорогой, то, что узнаешь ты. 
Тебе покажется лишь вымыслом забавным, 
Но Аполлоном я клянусь тебе державным, 
Что не прибавил здесь я ни одной черты. 

Огюст Барбье 

Предисловие 

Человечество третьего тысячелетия живет в стремительно меняющемся мире. Причем это касается не только политических и 
социально-экономических реалий. Неустойчивой оказалась и такая, 
некогда стабильная часть среды обитания человека, как земная 
«твердь». 

В последние годы стало очевидным, что современное геодинамическое состояние недр претерпевает значительные изменения, 
достигая своего аномального (экстремального) проявления в разломных зонах. При этом аномальная геодинамическая активность 
разломов характерна как для сейсмоактивных, так и для асейсмичных регионов. 

Уровень аномальных деформаций, выявленных в зонах разломов, оказался соизмерим с опасными смещениями, которые регламентированы в соответствующих нормативных документах, что 
привело к необходимости радикального пересмотра существующих 
представлений об уровне и масштабах геодинамического риска 
объектов, расположенных в платформенных, асейсмичных регионах. 

Вместе с тем современная динамика 
напряженно-деформированного состояния геологической среды обусловливает вариации физических свойств горных пород во времени, которые, в свою 
очередь, служат источниками локальных, аномальных изменений 
деформационных, геофизических, флюидо-геохимических и других 
полей. 

Данная книга посвящена всестороннему анализу взаимосвязи 
современных геодинамических процессов и вариаций физических 
свойств горных пород во времени на основе анализа обширного 
эмпирического материала, физического и математического моделирования процессов. 

Монография условно подразделяется на три соподчиненные 
части. Первая часть посвящена пространственно-временным закономерностям современной геодинамики разломов, описанию механизма нового класса движений в зонах разломов — параметрически индуцированных суперинтенсивных деформаций (СД) земной 

7 

поверхности, которые диктуют необходимость перехода от понятия 
«активный разлом» к понятию «опасный разлом». 

Вторая часть работы посвящена математическому моделированию СД-процессов и лабораторному моделированию динамики 
физических свойств горных пород (деформационно-прочностные 
характеристики, электропроводность, акустическая эмиссия и др.). 

Так, впервые проведено лабораторное моделирование процессов деформирования и разрушения геоматериалов в условиях искусственно созданного «геодинамического полигона» на образцах 
горных пород. Получена уникальная информация о характере 
взаимосвязи общей и локальной деформаций образцов, акустической эмиссии и электропроводности в условиях длительно действующих (порядка 1 года) квазистатических нагрузок. Осуществлены эксперименты, имитирующие процесс разработки месторождений нефти или газа, на основе наблюдений деформационной реакции горных пород на изменения порового давления. 

В третьей части работы представлены результаты изучения 
динамики физических свойств горных пород в естественном залегании (in situ). Для этой цели использовались данные по вариациям 
ряда параметров (деформации земной поверхности, уровень воды в 
глубокой скважине, скважинные переходные электросопротивления, электротеллурические потенциалы и др.) в период подготовки 
землетрясений, а также материалы повторных геофизических исследований скважин (ГИС) на объектах подземного хранения газа. 

На основе проведенных исследований сделан вывод о целесообразности максимального использования существующих методов 
производственного мониторинга в качестве геодинамического, который необходим как элемент системы обеспечения промышленной и экологической безопасности объектов нефтегазового комплекса и других особо ответственных объектов. 

Данная книга является логическим продолжением предыдущих публикаций авторов, многие результаты вошли в лекционные 
курсы, которые один из авторов читает в Московском государственном горном университете. Учитывая это, а также новизну и актуальность поднимаемых проблем, авторы на протяжении всей 
книги старались максимально ясно, с дидактической точностью 
отображать свою позицию при формулировке базовых определений 
и терминов, при этом осознавая вслед за Конфуцием, что: «... ясность есть только одна из форм полного тумана». 

8 

Авторы считают своим приятным долгом выразить благодарность соавторам по основным научным публикациям, нашедшим 
отражение в данной работе: А.К. Атаеву, А.А. Бедерову, Б.Н. Гаипову, 
А.Г. 
Гамбурцеву, 
А.В. Жардецкому, 
С.Ф. 
Изюмову, 
А.Ч. Каррыеву, Н.А. Касьяновой, А.О. Микаэлян, П.А. Моисееву, 
A. О. Мострюкову, А.И. Никонову, Г.А. Полоудину, А.В. Пономареву, [Б.Г. Сало"ву[ В.А. Сантуряну, В.А. Сидорову, М.А. Скворцовой, З.И. Стаховской, Ю.Е. Федосееву, В.А. Чурикову, М.И. Эфендиеву и другим. 

На протяжении всего периода выполнения данной работы авторы пользовались советами и консультациями Г.А. Соболева, 
B. А. Сидорова, А.А. Авагимова, В.И. Лыкова, за что выражают им 
искреннюю признательность. 

Особую благодарность авторы выражают рецензентам работы 
В.Н. Попову и В.М. Максимову за конструктивные замечания, учтенные при окончательной подготовке рукописи к печати. 

Глава 1 

СОВРЕМЕННАЯ 
ГЕОДИНАМИКА 
НЕДР 

JL 

1.1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ 
ПРЕДМЕТА 
И МЕТОДОВ 
СОВРЕМЕННОЙ 
ГЕОДИНАМИКИ 

1.2. 
ПРОСТРАНСТВЕННОВРЕМЕННАЯ 
СТРУКТУРА 
СОВРЕМЕННЫХ 
АНОМАЛЬНЫХ 
ДЕФОРМАЦИОННЫХ 
ПРОЦЕССОВ 

1.3. ВЗАИМОСВЯЗЬ 
СОВРЕМЕННЫХ 
ДЕФОРМАЦИОННЫХ 
И СЕЙСМИЧЕСКИХ 
ПРОЦЕССОВ 

1.1. Определение предмета 
и методов современной геодинамики 

В настоящее время происходит радикальный пересмотр взглядов на роль геодинамического фактора при оценке экологического, 
социально-экономического 
и страхового рисков экологически 
опасных и особо ответственных объектов. 

Учитывая некоторую дискуссионность в определении геодинамических терминов, ниже приводятся формулировки основных 
определений понятий, их объектов и методов. 

Существуют два подхода к определению геодинамики как научной дисциплины: кинематической и силовой [Кузьмин, 1999]. 

Сторонники первого подхода (астрономы, геодезисты и маркшейдеры) считают, что центральным предметом исследований в 
геодинамике является изучение основных кинематических характеристик (смещений, скоростей, векторов направленности и т.д.) 
движений земной поверхности в различных пространственновременных масштабах их протекания с последующей реконструкцией исходного поля сил (напряжений). 

Иной точки зрения придерживаются исследователи (геологи, 
геофизики и геомеханики), которые, основываясь на втором подходе, считают, что основной проблемой геодинамики является установление механизмов формирования движений в различных геосферах с последующей оценкой кинематических характеристик 
движений, предполагая полную унаследованность современных 
движений от процессов прошлых геологических эпох. 

Результаты измерений в реальном масштабе времени в этом 
случае не являются основным предметом исследований, а служат 
элементом доказательности принятой схемы приложения тектонических сил (напряжений). 

Наиболее гармоничное, учитывая оба подхода, определение 
основной задачи геодинамики дано в работе [Теркот, Шуберт, 
1985], где утверждается, что «Геодинамика изучает движения и 
деформации, происходящие в земной коре, мантии и ядре, и причины таких движений и деформаций». 

13