Структурная неоднородность горных пород и массивов

Изучение минерализованных участков недр может быть осуществлено на основе концепции относительной элементарности системы, что является общим методологическим принципом научного познания. Эта концепция поддерживается многими учеными, среди которых М.В. Рац, А.Б. Каждан, Л.И. Четвериков и др.
Сущность концепции состоит в том, что любой объект рассматривается как сложная система, состоящая из множества условно неделимых элементов, объединенных между собой внутренними связями.
Если о строении системы известно только то, что она состоит из множества условно неделимых элементов, а характер взаимосвязи между ними неизвестен, то говорят о внутренней неоднородности системы. Выявление взаимосвязей и пространственных взаимоотношений элементов неоднородности приводит к пониманию ее структуры. Под структурой объекта понимают способ организации слагающих ее элементов, определяемый законом внутреннего строения системы.
Поскольку абсолютно неделимых элементов системы не существует, на следующем уровне строения любая из структурных единиц сама выступает в качестве системы, и она опять же состоит из множества условно неделимых элементов.
Таким образом, концепция относительной элементарности приводит к представлению о строении материального мира как об иерархии структурных уровней с наличием множества дискретных, условно неделимых структурных единиц.
Выделение самих уровней возможно на основе оценки количественных различий в свойствах, или состоянии, тогда элементы систем будут определяться количественной элементарностью, а она в свою очередь, будет зависеть от степени детальности наблюдений, с помощью которых выявляется неоднородность изучаемых объектов.
Общая методология выявления неоднородности объектов состоит в том, что количественные характеристики свойств получаются путем испытаний проб или отдельных образцов пород, которые являются малыми разобщенными объемами массива, поскольку сам он недоступен для непосредственных наблюдений. Особенность этой методологии состоит в проявлении диспропорции между размерами дискретных наблюдений и размерами объектов. По этой причине изучение недр имеет поэтапный характер с постепенным увеличением эмпирических данных и детализацией с соответствующим уменьшением размеров неоднородности.
Результаты эмпирических наблюдений характеризуют частные значения признаков или свойств пород и массивов и их изменчивость только в объемах отобранных проб, а не во всем объеме изучаемого объекта. Значит, свойства пород и руд зависят не только от их природы, но и от места отбора, размеров и ориентирования в пространстве образцов и проб, откуда возникает задача распространения полученных данных на прилегающие объемы недр.
Неоднородность природных скоплений полезных ископаемых проявляется в изменчивости их геологических, технологических и горнотехнических свойств, определяющих методику, последовательность и технику выполнения исследований по их установлению, наиболее эффективных способов и технологии разработки и переработки минерального сырья.
У неоднородности есть два основных фактора ее проявления: физический и геологический. Возникновение первичной неоднородности горных пород связано с их формированием как геологического объекта. Последующие стадии воздействия различных агентов и факторов проявляются в виде диагенеза, эпигенеза, всех видов метаморфизма, тектонических явлений, выветривания и т.п. Они все изменяют свойства, состояние, состав и другие параметры горных пород и массивов, т.е. формируют иную неоднородность в сравнении с первоначальной. Отсюда следует, что геологическая природа неоднородности горных пород и скоплений полезного ископаемого зависит от условий генезиса. Если полезное ископаемое по времени образовалось совместно с вмещающими породами, они могут рассматриваться как составные части этих пород, если же они образовались значительно позже формирования горных пород, то неоднородность рудных скоплений подчинена неоднородности горных пород.
Неоднородность может ослабляться или усиливаться второстепенными факторами. Например, для двух генетически различных типов месторождений штокверкового и скарнового, благодаря их размерам, форме и другим особенностям, у первого наблюдаются более стабильные физико-химические и тектонические условия. Наоборот, скарновое месторождение, где превалируют метаморфические процессы, серьезно изменяют и накладываются новые уровни неоднородности на уже имеющиеся.
Неоднородность горных пород и скоплений полезных ископаемых проявляется при любых масштабах их изучения — от кристалла и до массива.
Внутреннее строение участка земной коры, состоящей из одной горной породы, характеризуется его структурой и реже ее текстурой.
Применительно к задачам геомеханики М.В. Рац разработал классификацию неоднородностей горных пород по масштабам их проявления и выделил 4 класса.
I. Неоднородность массивов горных пород в пределах единой формации.
II. Неоднородность строения и состава горных пород в пределах одного слоя, пачки.
III. Неоднородность структуры горных пород и состава слагающих ее минералов.
IV. Неоднородность кристаллов породообразующих минералов.
Каждому порядку неоднородности соответствует свой элемент неоднородности, который на данном уровне условно считается внутренне однородным в интересующем нас отношении.
По сравнению с горными породами природные скопления большинства полезных ископаемых имеют значительно большее разнообразие структурно-текстурных особенностей, что связано с большей неоднородностью строения, зависящего от неравномерного размещения ценных минералов. Если двигаться от высоких к низким уровням строения скоплений полезных ископаемых, то порядок будет следующий:
- кристаллические зерна,
- агрегаты мономинеральных зерен,
- серии сближенных пластов,
- минерализованные зоны.
Для целей разведки и эксплуатации в строении рудных тел Л.И. Четвериков выделяет 4 уровня:
1. Уровень тела полезных ископаемых.
2. Уровень зоны минерализации.
3. Уровень текстуры руд.
4. Уровень минерального агрегата.
Классификация неоднородностей, основанная на масштабах ее проявления, является условной и относительной, поскольку зависит от соотношения размеров элементов неоднородности и размеров проб, по которым изучаются свойства.
Строение одного и того же природного скопления может быть оценено как однородное (при достаточно больших размерах проб), так и неоднородное (при размерах проб меньших, чем элементы неоднородности). Например, внутреннее строение прожилково-вкрапленного штокверкового месторождения будет считаться однородным, если размеры проб больше размеров рудных прожилков и разделяющих их пустых пород. Если они равны или меньше, то месторождение станет неоднородным с прерывистым внутренним строением и при желании его можно разделить по сортам и типам.
Классификация неоднородностей по отношению размеров ее элементов к линейным размерам проб, предложенная М.В. Рацем для целей геомеханики выглядит следующим образом.
1. Неоднородность высшего порядка - линейные размеры элементов неоднородности намного меньше линейных размеров проб, а их число в пробе огромно.
2. Эффективная неоднородность - линейные размеры элементов примерно на один порядок меньше линейных размеров проб, при небольшом их количестве в одной пробе.
3. Неоднородность низшего порядка - линейные размеры элементов превосходят размеры проб.
Эти уровни неоднородности хорошо иллюстрируются рис. 1.2. Здесь неоднородность высшего порядка, вследствие огромного количества элементов в пробе, обеспечивает однородность среды.

Эффективная неоднородность обусловливает статистическое распределение свойств. Тогда результаты испытаний проб можно рассматривать как случайные величины, т.е. обеспечивается возможность использования методов теории вероятностей для количественной оценки изменчивости свойств.
Неоднородность низшего порядка, вследствие больших линейных размеров своих элементов, обусловливает проявление неслучайной изменчивости свойств, тогда для ее оценки следует использовать методы гармонического или корреляционного анализов.
При изучении неоднородности низшего порядка по дискретной сети наблюдений она может проявляться как случайная или неслучайная изменчивость свойства. Однако эти два вида изменчивости проявляются не отдельно, а вместе и доля каждой из них зависит от расстояния между пунктами наблюдений и строения природного массива. Чем меньше расстояние и больше однородность, тем меньше доля случайной составляющей изменчивости и, наоборот.
Для чисто случайной изменчивости характерно то, что значения признаков, наблюдаемых в различных точках, в том числе и смежных точках наблюдений, не зависят друг от друга и от расстояния между пунктами наблюдений. Параметры имеют по всем направлениям характер случайных и беспорядочных колебаний, при этом положительные и отрицательные знаки приращения величины признака могут сменяться в каждом пункте наблюдений.
Понятие неслучайной изменчивости включает в себя характеристику закономерностей пространственного размещения изучаемого свойства, при этом значения признака функционально связаны друг с другом.
Неслучайная изменчивость характеризуется наличием плавных колебаний значений признака и постоянством знака его приращения на протяжении полупериода каждого колебания.
При малых расстояниях между пунктами наблюдений в составе неслучайной изменчивости появляется ее коррелированная составляющая и чаще всего она зависит от расстояния между смежными пунктами наблюдений. При координированной изменчивости значение признака в любом пункте может быть найдено по уравнению связи координат пространства:

В действительности эта изменчивость настолько сложна, что аналитически функцию U найти не удается, тогда лучше всего ее выразить топографическими поверхностями.
При прочих равных условиях, доля наблюдаемой неслучайной изменчивости растет с уменьшением расстояния между соседними наблюдениями за счет соответствующего уменьшения доли случайной изменчивости и, наоборот (рис. 1.3). Следовательно, величины долей случайной и неслучайной изменчивости зависят не только от геологической природы объекта, но и от расстояния между смежными точками наблюдений.

При фиксированных расстояниях между точками наблюдений (постоянный шаг, расстояние между скважинами и т.д.) выделяют все те элементы неоднородности, размеры которых превосходят эти расстояния. Они проявляются как неслучайная изменчивость наблюдаемого свойства, и значит, могут быть разделены на несколько порядков.
Элементы неоднородности, размер которых меньше расстояния между смежными пунктами, не могут быть выделены при данной сети наблюдений и проявляются как непознанная случайная изменчивость, и значит, возможно разделение общей изменчивости на две составляющие.
Большинство месторождений и породных массивов обладают более или менее отчетливой анизотропией свойств. Она проявляется в том, что изменчивость изучаемого свойства одинаковая по параллельным направлениям и различна в перпендикулярных и непараллельных направлениях. Например, большая изменчивость наблюдается по мощности рудных тел, а по простиранию она наблюдается менее заметно. Анизотропия прочностных свойств также связана с тектоникой.
Анизотропия и изотропия различны потому, что в изотропии элементы строения разбросаны беспорядочно, а в анизотропии — более или менее упорядочено. Анизотропия, так же как и неоднородность проявляется на различных уровнях строения и, следовательно, может быть выделено несколько ее порядков, по аналогии с порядками неоднородности.
В заключение можно сформулировать следующие особенности изучения свойств горных пород и массивов:
1. Полезное ископаемое залегает в толще вмещающих пород и недоступно для непосредственного наблюдения. Для изучения свойств по естественным и созданным искусственно обнажениям отбираются образцы или пробы пород для выполнения соответствующих анализов и испытаний.
2. В сравнении с размерами (массами) образцов минерализованные участки недр или сами массивы горных пород имеют несоизмеримо большие размеры.
3. Большинство природных скоплений и массивов имеют сложную структуру, обладают анизотропией свойств с различными элементами неоднородности.
4. Основным способом изучения неоднородности является систематическое выборочное опробование горных пород и скоплений по разреженной геометрически правильной сети с последующим испытанием пробы.
5. Пробы составляют незначительную часть объемов массива, а результаты их испытаний распространяются на некоторый объем недр.
6. Поскольку элементы неоднородности могут быть высоких и низких порядков, их изучение нельзя проводить одинаковыми методами, а элементы неоднородности низших порядков не поддаются непосредственному наблюдению и о них судят по массе выборочных наблюдений, охватывающих весь объем.

---