«Кольцевые» структуры как маркирующий признак напряженно-деформированного состояния геосреды

Л.К. Мирошникова, А.Ю. Мезенцев, Н.В. Семенякина, Н.Е. Филиппова
Заполярный государственный университет им. Н.М. Федоровского, г. Норильск, Российская Федерация
Горная Промышленность №3 / 2022 стр. 125-131

Резюме: Рассмотрены инновационные решения по выявлению геодинамических активных структур на основе морфоструктурного анализа осадочных отложений тунгусской серии (карбон-пермь), являющихся верхним этажом локализации рудоносных массивов и богатых сульфидных платиносодержащих медно-никелевых руд. Выделенные на схемах изолинейного распределения кровли и почвы тунгусской серии морфоструктурные группы овальных очертаний рассмотрены как маркирующий признак развития «кольцевых» структур. Данные структуры развиты вдоль границ шахтных полей. Формирование их происходило в период, последующий рудообразованию. Отдельные тектонические нарушения, развитые внутри «кольцевых» структур и вдоль их границ, находят отклик на глубине залегания рудоносных интрузий и рудных тел. «Кольцевые» структуры сформировались на юго-западной части Талнахского рудного узла в результате левосторонних сдвигов, которые сопровождались кручением с разворотом к востоку. «Кольцевые» структуры – морфотектонические блоки отличаются максимальными показателями напряженности. В результате исследований было установлено, что «кольцевые» структуры являются маркирующими признаками геодинамически активных структур сдвиговой и взбросо-сдвиговой кинематики с высокой плотностью дизъюнктивных нарушений, в которых возможны высокие риски развития опасных геодинамических процессов и явлений в пространстве, прилегающем к шахтным полям.

Ключевые слова: Талнахский рудный узел, локальное геодинамическое районирование, геодинамически активные зоны, «кольцевые» структуры, шахтные поля

Для цитирования: Мирошникова Л.К., Мезенцев А.Ю., Семенякина Н.В., Филиппова Н.Е. «Кольцевые» структуры как маркирующий признак напряженно-деформированного состояния геосреды. Горная промышленность. 2022;(3):125–131. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2022-3-125-131

Информация о статье

Поступила в редакцию: 04.05.2022

Поступила после рецензирования: 23.05.2022

Принята к публикации: 24.05.2022

Информация об авторах

Мирошникова Людмила Константиновна – доктор геолого-минералогических наук, профессор кафедры разработки месторождений полезных ископаемых, Заполярный государственный университет им. Н.М. Федоровского, г. Норильск, Российская Федерация; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Мезенцев Александр Юрьевич – ассистент, аспирант кафедры разработки месторождений полезных ископаемых, Заполярный государственный университет им. Н.М. Федоровского, г. Норильск, Российская Федерация; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Семенякина Наталия Вячеславовна – аспирант, старший преподаватель кафедры разработки месторождений полезных ископаемых, Заполярный государственный университет им. Н.М. Федоровского, г. Норильск, Российская Федерация

Филиппова Наталия Евгениевна – доцент кафедры разработки месторождений полезных ископаемых, Заполярный государственный университет им. Н.М. Федоровского, г. Норильск, Российская Федерация

Введение

Актуальностью работы является выявление маркирующих признаков геодинамически активных зон, внутри которых выделяются области высоконапряженных горных пород и нестабильное состояние геологической среды. Основной целью локального геодинамического районирования в пределах Талнахского рудного узла является установление пространственного соответствия выделенных в горном массиве вмещающей толщи отложений тунгусской серии блоков напряженных зон (ТНЗ) аномально активным зонам геодинамической природы, которые проявляются на больших глубинах в сложных горно-геологических условиях [1; 2], отрицательно влияющих на безопасность ведения горных работ.

На основе методических рекомендаций по геодинамическому районированию в работе решается задача установления местоположения потенциально геодинамически опасных участков на основе комплекса методов морфоструктурного, структурно-геологического анализа и признаков изменчивости подземного строения геологической среды [3–9] осадочных отложений тунгусской серии, которые являются «верхним» этажом внедрения рудоносных интрузий.

Предметом исследования являются геометрические формы – «кольцевые» структуры, выделенные на схемах картографической оцифровки точек (изопахит), и абсолютные глубины залегания подошвы осадочных отложений тунгусской серии.

Методы исследования

Разработки по локальному прогнозированию геодинамически активных зон выполнялись согласно рекомендациям И.М. Батугиной, А.С. Батугина и И.М. Петухова и др. [3–6], которые предлагают в качестве одного из признаков присутствия блоков тектонически напряженных зон (ТНЗ) рассматривать «кольцевые» структуры, которые были выделены на морфоструктурных схемах исследуемых территорий. Работы выполнены с использованием материалов детальной разведки ПО «Норильскгеология», проводимой с 1972 по 2002 г., на основании которых были отстроены цифровые модели отдельно по горизонтам подошвы и кровли отложений тунгусской серии.

Морфологические схемы масштаба 1: 25 000 подошвы и кровли отложений тунгусской серии отстроены по геологическим данным буровых скважин с последующей компьютерной обработкой методом Auto CAD 2012. Детальность оцифровки рельефа подошвы и кровли отложений соответствует шагу построения изолиний: для подошвы 25 м, для кровли 20 м. Интерпретация графических построений проводилась с привлечением структурно-тектонических схем ТРУ, составленных А.В. Тарасовым и В.Ф. Кравцовым [10], и которые уточнялись и детализировались авторами на основе последних данных детальной разведки.

В работе рассматривается возможность определения положения геодинамически активных структур по комплексу выявленных морфологических элементов толщи осадочных отложений тунгусской серии (карбон-пермь), которые окончательно были сформированы в ходе тектонических процессов на заключительных этапах лавовых излияний и формирования рудных тел.

Результаты исследования

В «Руководстве по геодинамическому районированию шахтных полей» И.М. Батурина отмечает: «при морфоструктурном анализе особое значение необходимо уделять признакам наличия кольцевых и купольных структур, которые напрямую отражают глубинные формы развития элементов геологической среды и характеризуют развитие в недрах различных форм неравновесных процессов» [6]. На первом этапе были построены цифровые модели по отметкам кровли и почвы отложений тунгусской серии.

Далее на их основе отстраивались морфоструктурные схемы, при анализе которых были отмечены основные морфоструктурные элементы южной части ТРУ (рис. 1, 1).

Рис. 1 Морфоструктурная схема и анализ признаков геодинамической нестабильности недр по картине изолинейного распределения изолиний кровли отложений тунгусской серии: 1 – изопахиты отложений тунгусской серии; 2 – изолинии абсолютных глубин отложений тунгусской серии; 3 – границы полей шахт и рудников; 4 – контур границ распространения «кольцевых» структур; 5 – зона Главного шва Норильско-Хараелахского разлома; 6 – предполагаемые тектонические нарушения, выделенные на основе анализа структурных элемен-тов на морфоструктурных схемах; 7 – скважины детальной разведки; 8 – линии профилей

Fig. 1 Morphostructural map and analysis of subsoil geodynamic instability indicators based on the isolinear distribution pattern of the top sediments of the Tunguska series: 1 – isopach lines of the Tunguska series; 2 – true vertical depth isolines of the Tunguska series; 3 – boundaries of the mineral and metal mine fields; 4 – boundaries of the "ring" structures; 5 – zone of the Main Geosuture of the Norilsk- Kharaelakh fault; 6 – assumed tectonic disturbances based on analysis of structural elements in the morphostructural map; 7 – detailed exploration boreholes; 8 – profile lines

На схемах наряду с участками с повторяющимися элементами структур почвы и кровли с некоторым смещением их осей отмечаются участки с противоположными знаками почвы и кровли. В южной части ТРУ отчетливо прослеживаются морфоструктурные группы овальных очертаний, которые являются маркирующим признаком развития «кольцевых» структур [6] и которые формируют гряды с многократно повторяющимися подобными морфоструктурными группами, обрамленными дугообразными тектоническими зонами (рис. 1, 2). Данные «кольцевые» структуры имеют эндогенное происхождение и относятся к классу тектоногенных.

Рис. 2 Морфоструктурная схема и анализ признаков геодинамической нестабильности недр по картине изолинейного распределения абсолютных отметок подошвы отложений тунгусской серии (условные обозначения на рис. 1)

Fig. 2 Morphostructural map and analysis of subsoil geodynamic instability indicators based on the isolinear distribution pattern of the true vertical depth of the Tunguska series top sediments (see the legend in Fig.1)

Разрывные нарушения, выявленные на территории ТРУ, сформировались в несколько тектонических циклов.

В послеинтрузивный этап в результате напряжений сжатий происходило образование серии левосторонних сдвигов с амплитудой 600–700 м. Кроме того, очевидно, при образовании в юго-западной части ТРУ «кольцевых» структур отмечался момент кручения, при котором южная часть ТРУ сдвигалась с разворотом к востоку [9–11]. Очевидно, определяющими деформационными процессами в геосреде являются дизъюнктивные, которые проявились на последних этапах излияния и распределения лавовых потоков во время последующего формирования во вмещающей осадочной толще месторождений, так как сдвижению подвергались и интрузивные тела. По данным детальной разведки [10] сформированные крупные разрывные нарушения третьего порядка определяют структурно-тектонические условия рудных полей (рис. 3).

Рис. 3 Геологический разрез (масштаб 1 : 25 000) (по материалам ПО «Норильскгеология», 2002 г.): 1 – четвертичные отложения (Q); 2–6 – эффузивные образования перми-триаса (P2 – T1): 2 – моронговская свита (T1mr), базальты полифировые, гломеропорфировые; 3 – надеждинская свита (T1nd), базальты порфировые; 4 – гудчихинская свита (T1gd), базальты порфировые, пикритовые; 5 – сыверминская свита (T1sv), базальты толеитовые; 6 – ивакинская свита (P2iv), трахидолериты и долериты с титанистым авгитом, базальты лабрадоровые, двуполевошпатовые; 7 – карбон – верхняя пермь- тунгусская серия (C2 – P2), терригенные, алюмосиликатные отложения: переслаивание песчаников, алевролитов, углистых аргиллитов; 8 – девон верхний-средний (D2-3), карбонатные отложения; 9 – девон средний, мантуровская свита (D2mt), тип разреза сульфатно- карбонатный: переслаивание мергелей, доломитов, ангидритов с линзами солей; 10–11 – девон нижний: 10 – разведочнинская свита (D1rz), аргиллиты; 11 – курейская свита (D1kr), мергели, известковистые доломиты; 12 – зубовская свита (D1rz), мергели с гнездами и прослоями ангидритов и гипсов; 13 – рудоносная интрузия габбродолеритов; 14 – горизонты богатых руд; 15 – Норильско-Хараелахский разлом; 16 – разломы третьего и четвертого порядков

Fig. 3 Geological cross-section at the 1:25,000 scale (based on materials of Norilskgeologiya Production Association, 2002): 1 – Quaternary sediments (Q); 2–6 – effusive Triassic and Permian blanket (P2 – T1): 2 – Morongov Series (T1mr), polyphyric and glomeroporphyric basalts; 3 – Nadezhdinskaya Series (T1nd), porphyric basalts; 4 – Gudchikhinskaya Series (T1gd), porphyric and picrite basalts; 5 – Syverminskaya Series (T1sv), tholeitic basalts; 6 – Ivakinskaya Series (P2iv), trachydolerites and dolerites with titanian augite, labradorite and two-feldspar basalts; 7 – Carboniferous – Upper Permian, Tunguska series (C2 – P2) terrigenous aluminosilicate sediments: interbedded sandstones, aleurolites, carbon-bearing argillites; 8 – Upper-Middle Devonian (D2-3), carbonate sediments; 9 – Middle Devonian, Manturovskaya Series (D2mt), sulphate-carbonate type of the geological settings: interbedded marls, dolomites, anhydrites with salt lenses; 10–11 – Lower Devonian: 10 – Razvedochinskaya Series (D1rz), argillites; 11 – Kureyskaya Series (D1kr), marls, calciferous dolomites; 12 – Zubov Series (D1rz), marls with pockets and interbeds of anhydrites and gypsum; 13 – ore-bearing intrusion of gabbro-dolerites; 14 – high-grade ore layers; 15 – Norilsk-Kharaelakh fault; 16 – third- and fourth-order faults

Морфотектонические блоки «кольцевых» структур являются природными границами шахтных полей и прослеживаются вдоль южной границы поля рудника «Таймырский» на контакте с полем шахты «Комсомольская», восточной границы поля шахты «Комсомольская» и северной границы поля шахты «Маяк».

Таблица 1 Расчет тектонической ступени при оконтуривании «кольцевых» структур

Table 1 Calculation of the tectonic step in outlining the "ring" structures

Для определения границ геодинамических блоков «кольцевых» структур с различными уровнями высот на морфоструктурных схемах масштаба 1: 25 000 и профилях применялся метод расчёта численного значения тектонической ступени (табл. 1) [6; 9]:

h = 0.1 · (H_max – H_min ),

где H_max – минимальная отметка изопахиты (или подошвы) отложений тунгусской серии; H_min – максимальная отметка изопахиты (или подошвы) отложений тунгусской серии; h – тектоническая ступень

Последующее уточнение границ «кольцевых» структур произведено при построении профилей вкрест простирания и по простиранию структур. В профилях отмечается, что «кольцевые» геодинамические блоки в морфоструктурном плане южной части ТРУ формируют палеорельеф тунгусской серии прерывисто-грядового типа дугообразной формы. Срывы по поверхностям деформаций в блоках «кольцевых» структур характеризуются как надвиги и взбросы и ограничены бортами флексур Каейркан-Пясинского поднятия и Норильско-Хараелахского разлома (флексуро-сброса), где происходила разрядка сдвиговых напряжений. Породы рамы по разным бортам блоков сдвинуты. Снизу данные структуры ограничиваются межслоевыми сбросо-сдвигами. Окаймляющие блоки разрывы распадаются на несколько ветвящихся мелкоамплитудных нарушений, определяя чешуйчатый характер строения структурных блоков [10]. В результате образуются клиновидные тектонические блоки, оторванные от основных структур (флексуры, синклинали, поднятия), которые выделяются в морфоструктурном плане отложений тунгусской серии.

Рассматриваемые «кольцевые» структуры – морфотектонические блоки, в которых напряженно-деформированное состояние геосреды характеризуется неоднородным распределением физико-механических свойств и контрастными показателями напряженности [12].

В процессе образования кольцевых структур происходит усиление тектонических сжимающих напряжений, уплотнение геосреды и перераспределение действующих в окрестнос-тях шахтных полей напряжений [9; 13–16]. Для исследования неоднородности в природном поле напряжений отложений тунгусской серии использовались данные по 150 скважинам детальной разведки.

Расчет напряжения в горном массиве тунгусской серии [6; 9] определялся А.Н. Динником по формуле:

σ_x = σ_z = λγH,

где λ = μ/(1-μ) – коэффициент бокового распора, или коэффициент Динника; H – мощность отложений, м; γ – удельный вес породы, г/см³; μ – модуль упругости, Па. После определения σ_x рассчитывалось численное значение коэффициента К распределения напряжения по формуле:

K =σ_i/σ_ср,

где σ_i – значение напряжения по определенной скважине; σср – среднее значение напряжения в пределах шахтного поля.

Полученные численные значения К были сгруппированы в классы: К = до 0.9, К = 0.9–1.5, К = 1.5–2.0, К = 2.0–2.6, К = 2.9–3.0, К = 3.1–3.6.

Максимальные значения К – от 3.6 до 2.6 наблюдаются на границе раздела шахтных полей, где преобладают кольцевые структуры, в которых концентрация изолиний и зон интенсивности поля напряжений согласуется с максимальной мощностью отложений тунгусской серии (рис. 4–7).

Рис. 4 Профиль I–I вдоль простирания «кольцевой» структуры: 1–6 – численное значение коэффициента К распределения напряжения; 7 – предполагаемые разрывные нарушения; 8 – Норильско-Хараелахский разлом; 9 – проекция рудных тел на горизонтальную плоскость; 10 – скважины детальной разведки

Fig. 4 Profile I–I along the strike of the "ring" structure: 1–6 – numerical value of the stress distribution coefficient (K); 7 – assumed discontinuities; 8 – Norilsk-Kharaelakh fault; 9 – projection of the ore bodies on the horizontal plane; 10 – detailed exploration boreholesРис. 5 Профиль II–II вдоль простирания «кольцевых» структур

Fig. 5 Profile II–II along the strike of the "ring" structures

Рис. 6 Профиль III–III по простиранию «кольцевых» структур

Fig. 6 Profile III–III along the strike of the "ring" structures

Рис. 7 Профиль IV–IV вкрест простирания структуры шахтного поля шахты «Маяк»

Fig. 7 Profile IV–IV across the strike of the Mayak mine field structure

Выводы

Анализ признаков геодинамической нестабильности недр производился по морфоструктурным схемам изолинейного распределения мощностей и подошвы отложений тунгусской серии. В предлагаемой статье впервые при локальном геодинамическом районировании территории ТРУ рассмотрены вопросы выделения «кольцевых» структур эндогенного происхождения тектоногенного класса как объектов нестабильного состояния недр. При локальном районировании на схемах в границах юго-западной территории ТРУ были выделены морфоструктурные группы овальных очертаний. Данная особенность рассматривалась как маркирующий признак развития «кольцевых» структур, характеризующихся прерывистым строением. Границы распространения морфоструктурных групп имеют дугообразное очертание.

Выделенные «кольцевые» структуры на площади ТРУ являются маркирующими признаками геодинамически активных структур сдвиговой и взбросо-сдвиговой кинематики с высокой плотностью дизъюнктивных нарушений, в которых возможны высокие риски развития опасных геодинамических процессов и явлений.

• Предполагаемые разрывные нарушения на профилях представляют собой конусовидные пучки, имеющие «бескорневой», «навешанный» характер разнонаправленных и разноамплитудных нарушений [10], которые, очевидно, с глубиной объединяются сферическими плоскостями межслоевых разломов. Разгрузка граничных тектонических «кольцевых» структур происходит в зоне Норильско-Хараелахского разлома (или флексуро-сброса) и в килевой части Кайеркан-Пясинского поднятия.

Образование структур, очевидно, происходило в последний тектонический цикл, инициированного излиянием лав моронговско-мокулаевского времени нижнего триаса в период последующего формирования рудоносных интрузий и связанных с ними сульфидных платиносодержащих медно-никелевых руд. Границы развития «кольцевых» морфоструктурных блоков прослеживаются вдоль границ шахтных полей.

При дальнейших исследованиях будет детально рассмотрен вопрос о пространственном взаимоотношении разрывных нарушений, выделенных при морфоструктурном анализе отложений тунгусской серии с тектоникой рудных тел.

Список литературы

1. Галаов Р.Б., Кисель А.А., Андреев А.А., Зубков В.В. Оценка напряженного состояния рудного массива залежи С-2 шахты «Скалистая» до начала очистных работ. Горный журнал. 2016;(7):10–14. https://doi.org/10.17580/gzh.2016.07.02

2. Еременко А.А., Дарбинян Т.П., Айнбиндер И.И., Конурин А.И. Оценка геомеханического состояния массива горных пород на Талнахском и Октябрьском месторождениях. Горный журнал. 2020;(1):82–86. https://doi.org/10.17580/gzh.2020.01.16

3. Петухов И.М., Батугина И.М. Геодинамическое районирование недр. Л.: ВНИМИ; 1990. 129 с.

4. Петухов И.М., Батугина И.М. Геодинамика недр. 2-е изд. М.: Недра Коммюникейшенс ЛТД; 1999. 256 с.

5. Батугина И.М., Батугин А.С., Петухов И.М. и др. ИЗОС-ЗЗЗ Корректировка карт геодинамического районирования недр, построенных в 1986–88 гг., в связи с модернизацией методики их построения: отчет о научно-исследовательской работе. М.: МГГУ; 2004. 33 с.

6. Батугина И.М. и др. Руководство по геодинамическому районированию шахтных полей. СПб.: ВНИМИ; 2012. 114 с.

7. Сидоров Д.В., Пономаренко Т.В. Методология оценки геодинамического состояния природно-техногенных систем при реализации проектов освоения месторождений. Горный журнал. 2020;(1):49–52. https://doi.org/10.17580/gzh.2020.01.09

8. Лань Т., Чжан Х., Ли Ш., Ватутин А.С., Чжао В., Ли Ц., Сунь Ц. Применение и развитие метода геодинамического районирования по прогнозу геодинамической опасности на угольных шахтах Китая. Известия высших учебных заведений. Геология и разведка. 2018;(6):71–76. https://doi.org/10.32454/0016-7762-2018-6-71-76

9. Мирошникова Л.К., Мезенцев А.Ю., Кадыралиева Г.А., Перепелкин М.А. Геодинамическое районирование Талнахской тектономагматической системы. Горная промышленность. 2021;(6):103–109. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2021-6-103-109

10. Тарасов А.В. О типизации структурных элементов норильских медно-никелевых месторождений. В кн.: Геология и полезные ископаемые Норильского района, II Норильская геологическая конференция. Норильск: Изд-во Норильского ГМК; 1971. С. 150–153.

11. Мирошникова Л.К., Мезенцев А.Ю., Семенякина Н.В., Котельнокова Е.М. Геодинамически активные структуры западного фланга Талнахского рудного узла. Горная промышленность. 2020;(3):105–113. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2020-3-105-112

12. Стажевский С.Б. О вкладе кольцевых структур в напряженно-деформированное состояние литосферы и металлогению. Физическая мезомеханика. 2005;8(1):65–70.

13. Лукичев С.В., Семенова И.Э., Земцовский А.В., Громов Е.В. Определение границ охранных целиков в тектонически напряженных массивах. Вестник Кольского научного центра РАН. 2019;(2):19–28. https://doi.org/10.25702/KSC.2307-5228.2019.11.2.19-27

14. Осипова Е.Б. Гравитационные напряжения и слоисто-блоковые структуры в земной коре. Физическая мезомеханика. 2021;(6):105–115. https://doi.org/10.24412/1683-805X-2021-6-105-115

15. Ливинский И.С., Митрофанов А.Ф., Макаров А.Б. Комплексное геомеханическое моделирование: структура, геология, разумная достаточность. Горный журнал. 2017;(8):51–55. https://doi.org/10.17580/gzh.2017.08.09

16. Stacey T.R. Rock engineering design – the importance of process, prediction of behaviour, choice of design criteria, review and consideration of risk. In: Y Potvin (ed.), Design Methods 2015: Proceedings of the International Seminar on Design Methods in Underground Mining. Perth: Australian Centre for Geomechanics; 2015. pp. 57–76. https://doi.org/10.36487/ACG_rep/1511_0.4_Stacey