Назад в библиотеку

ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА И ПОЛЯ НАПРЯЖЕНИЙ В СВЯЗИ С ЭВОЛЮЦИЕЙ ЭНДОГЕННЫХ РЕЖИМОВ ДОНБАССА

Авторы: Корчемагин В.А.
Источник: ООО Научная электронная библиотека, г. Санкт-Петербург, ОГРН 1127847428774

Актуальным направлением исследований геотектоники и других геологических наук является определение характеристик тектонических полей напряжений, механизмовктурообразования и истории тектонического развития отдельных регионов и земной коры в целом. Предлагаемая работа, посвящённая изучению тектоники и полей напряжений в связи с эволюцией эндогенных режимов Донецкого бассейна, развивает данное направление исследований применительно к активным областям платформ. Последние, как известно, характеризуются крупными месторождениями полезных ископаемых, выяснение полных перспектив и условий отработки которых является важной задачей нашего времени.

Актуальность работы определяется также соответствием её направленности важнейшим программам Госкомитета по науке и технике, Госплана и. Академии наук СССР на 1980-1985 годы, предусматривающим осуществление комплексного изучения глубинного строения земной коры и определение перспектив нефтегазоносности и рудоносности основных районов страны программа 0.05.01, создание комплекса методов для поиска и разведки глубокозалегающих месторождений программа 0.11.010, а также разработку методов прогноза внезапных выбросов угля и газа в шахтах программа 0.05.05. Предложенный в данной работе методический подход к изучению геологических структур и тектонических процессов, включающий реконструкцию тектонических полей напряжений и механизмов структурообразования, будет способствовать повышению достоверности и точности геологических прогнозов.

Основная идея этого подхода сводится к тому, что характер и степень проницаемости земной коры, в значительной степени определяющие эндогенные режимы и, следовательно, особенности минерально-сырьевой базы региона, существенно зависят от напряжённого состояния и механизма деформирования коры.

Главная цель работы заключается,соответственно, в разработке комплексного тектонофизического и геологического направления исследования связей между механизмами формирования геологических структур и глубинными процессами.

Конкретные задачи решаемые в данной работе следующие:

  1. Разработка методики выделения разновозрастных тектонических полей напряжений и изучения их в качестве характеристик эндогенных режимов.
  2. Изучение кинематических и морфологических особенностей тектони1-ческих структур Донбасса и Приазовья.
  3. Определение параметров тектонических полей напряжений по данным о кинематике трещинно-разрывных структур и,. характерна их проявления в различных структурных этажах региона.
  4. Выявление ведущих механизмов тектонических деформаций земной коры на различных этапах, геологического развития Донбасса по данным об особенностях структурных форм и полей напряжений.
  5. Характеристика общей эволюции эндогенных режимов в Донецком бассейне на основе структурных, тектонофизических, геофизических и геохимических сведений.
  6. Разработка новой основы тектонического и тектонофнзического районирования,, поисков зон минерализации и прогнозирования горно-геологических условий отработки месторождений полезных ископаемых.

Основные защищаемые положения:

  1. В основе геологической структуры Донбасса устанавливается центральный и внешний грабены верхнепротерозойского и нижнепалеозойского возраста соответственно, а в главном, герцинском этаже, впервые выделены три структурных плана концентрический и продольно-зональный герцинского возраста и диагональный, альпийского возраста и три структурных уровня складчатого сооружения региональный,, мезорегиональный и локальный.

  2. созданием программ реконструкции параметров полей напряжений на ЭВМ;
  3. установлением новых особенностей геологического строения Донецкого бассейна на региональном, мезорегиональном и локальном уровнях, выявлением трёх структурных планов и их возрастных отношений;
  4. установлением основных параметров тектонических полей напряжений в байкальский, каледонский, герцинский и альпийский периоды развития региона, что позволило конкретизировать и упростить представления о механизмах формирования структуры, об истории её развития и об особенностях эволюции эндогенных режимов в Донбассе;
  5. установлением устойчивости и индивидуальности параметров тектонических полей напряжений регионального структурного уровня в течение основных периодов тектонического развития Донбасса; 6. выявлением 4-х основных типов трещинных структург возникающих соответственно в динамических обстановках типа одноосного сжатия, одноосного растяжения, чистого и простого сдвигания; 7» установлением основных источников рудного вещества в поздне-герцинский и альпийский периоды минералообразования.

Практическое значение работы определяется:

  1. созданием методики выделения и реконструкции параметров палео-тектонических полей напряжений регионального, мезорегионального и локального у ровней, развивающей кинематическое направление исследований и открывающей новый подход к прогнозированию; а) соответствующих рангов рудных полей, месторождений и рудных тел гидротермального генезиса; б) горно-геологических условий отработки месторождений и их гидрогеологического режима; в) участков, опасных по выбросам угля и газа в шахтах;
  2. установлением осноеных в Донецком бассейне зон и узлов гидротермальной минерализации и выбросоопасности:
  3. установлением главных структурно-морфологических типов рудных зон и тел Никитоеского рудного поля, а также основных тектонофи-зических условий рудолокализации;
  4. установлением основных параметров альпийского поля напряжений и региональных структур фундамента, контролирующих места концена трации повышенных кастельных напряжений в горном массиве, являющихся одной из главных причин процесса формирования выбросов угля и газа в шахтах.

Исходным Фактическим материалом работы послужили:
- результаты крупномасштабных геологических съёмок карьеров Никитов-ского рудного поля, постоянно проводившихся автором вслед за продвижением забоев , начиная с I960 года;
- результаты личных многолетних полевых исследовании трещинных, разрывных и складчатых структур Донецкого бассейна и Приазовского кристаллического массива;
- детальные геологические карты и разрезы II важнейших промышленных районов Донбасса, составленные геологами производственных объединений Донбассгеология, Ворошиловградгеология и Укруглегео-логия;
- планы горных работ угольных шахт объединений Донецкуголь, Маке-евуголь, Артёмуголь, Шахтёрскантрацит, Торезантрацит, Свердловск-уголь, Ворошиловградутоль и др.;
- результаты изотопно-геохимических и специальных спектральных исследований минералов и магматических пород Донбасса, выполненные в лабораториях Фрейбергской горной академии ГДР при участии автора.

Анализ и обобщение данных о геологическом строении Донбасса осуществлялись на геологических картах, схемах и разрезах масштаба I: 100000, 1:300 000. Данные о трещинных, разрывных и складчатых структурах приведены на стереограммах. Всего измерено более 5 тыс. зеркал и борозд скольжения, 45 тыс. мелких трещин, более 800 кварц-карбонатных жил и даек магматических пород, около 2000 разрывов» Составлено около 500 частных и 60 сводных стерео-грамм зеркал скольжения, минеральных жил и даек, тектонических разрывов и структурных элементов складок, характеризующих, особенности тектонических полей локального, мезорегионального и регионального уровней. Выполнено 85 анализов изотопных соотношений серы из различных сульфидов, 38 анализов изотопов кислорода и углерода в карбонатах, 40 анализов кислорода изотопов в кварцах и магматических породах Донбасса и другие анализы.

ВЫВОДЫ

  1. На прьмере Донецкого бассейна в процессе анализа геологического строения, магматизма, изотопно-геохимических данных и др. устанавливается, что каждый период геологического развития региона характеризуется не только индивидуальным полем напряжения, но и проявлением определённого ведущего механизма деформации земной коры, отражающего особенности развития определённого эндогенного режима. Зтот вывод помогает сформулировать представления о природе региона и оценить его минерагеническую специализацию на различных этапах развития и в целом.
  2. Верхнепротерозойский и каледонский периоды характеризуются возникновением центрального, более узкого , а затем внешнего грабенов в связи со сводообразованием в условиях проявления механизма поперечного изгиба земной коры. Причина поперечного изгиба коры усматривается в становлении и последующем развитии • под Сарматским щитом в рассматриваемые периоды астеносферного -лиапира, следы которого в настоящее время отражаются в виде положительной плотностной аномалии верхней мантии.
  3. Механизм образования позднегерцинской складчатости объясняется продольным сжатием угленосной толщи, возникавшим в'ней в следствие её дилатации в условиях ограниченного с боков пространства при метаморфизме в инверсионную стадию развития региона. Установленное генетическое сочетание линейного и концентрического структурных планов, распределение размаха, морфология зеркал и другие особенности складчатости, характер метаморфизма толщи, магматизма и поля позднегерцинских тектонических напряжений позволяют утверждать, что в основе природы Донецкого складчатого сооружения лежит развитие глубинного астенолита. Всплытие последнего в верхние горизонты коры обусловило инверсию вертикальных движений фундамента, становление верхнепалеозойского магматического очага, интенсивный прогрев и увеличение объёма многокилометровой, существенно глинистой,толщи за счёт освобождения метаморфогенной воды, развитие в осадочных образованиях, зажатых с боков кристаллическими массивами, продольного горизонтального сжатия и вертикального растяжения, реализовавшегося в склад-кообразующих движениях.
  4. Период неотектонической активизации Донбасса, незаконченный и в настоящее время, характеризуется проявлением механизма правостороннего продольнозонального сдвигания. Правосторонние горизонтальные смещения вдоль глубинных разломов обусловили формирование в герцинском этаже - наложенного диагонального структурного плана.
  5. Рассмотренные общегеологические и тектонофизические особенности позволяют выделить следующий ряд эволюции эндогенных режимов в Донецком бассейне: рифтовый верхний протерозой, регенерированный рифтогенез каледонский щикл , парагеосинкли-нальный с завершающей складчатостью герцинский цикл и неотектонической активизации альпийский цикл .
  6. Каждый эндогенный режим в соответствии с особенностями своего проявления,-характеризуется индивидуальной минерагенией. Для рифтовых режимов типичны образования магматогенных рудопроявле-ний, связанных с основной и ультраосновной магмой. Для парагео-синклинального режима определяющими являются,преимущественно, гидротермальные метаморфогенные' рудопроявления золото-полиметаллической и др. формаций, подчиняющихся по распределению в пространстве концентрическому структурному плану. Изотопно-геохимические данные свидетельствуют, что основным источником минерального вещества в этот период являлась осадочная толща.Режим неотектонической активизации, определивший основную металлогеническую специализацию Донбасса на ртуть, характеризуется образованием крупных месторождений Никитовского рудного поля, которое в настоящее время является единственным промышленным рудным объектом, и ряда других ртутных и суръмянортутных месторождений и рудопроявлений. Их расположение в пространстве контролируется сочетанием диагонального и продольного структурных планов. Основные источники рудного вещества, по изотопно- f -геохимическим данным^связаны с глубокими, мантийными горизонтами, что согласуется с особенностями проявления механизма деформации земной юры в альпийский период.
  7. Выявленные региональные особенности геологической структуры Донбасса, характер альпийского поля напряжений и механизма деформаций, сохраняющихся до наших дней, позволяют обоснованно подойти к прогнозированию выбросов угля и газа в горные выработки, гидрогеологических осложнений и горно-геологических условий ведения горных работ на шахтах Донбасса.

    ЗАКЛЮЧЕНИЕ

    В процессе выполнения работы были получены следующие результаты, положенные в основу защищаемых положений.

    Разработано новое комплексное, структурно-морфологическое и тектонофизическое, направление исследований эндогенных режимов, особенности проявления и эволюция которых определяют геологическое строение, полезные ископаемые и, в известной мере, промышленный потенциал любого региона.

    Методической основой предложенного направления является комплекс разработанных автором новых и усовершенствованных структурно-геологических и тектонофизических методик, дополняющих традиционные методы геотектоники. Структурно-геологические методики анализ размаха и морфологии зеркал складчатости, анализ распределения по площади региона значений послеинверсионого поднятия и кривизны простираний маркирующих горизонтов и др.. позволяют получить более полные reo-v метрические характеристики строения - как отдельных структурных этажей, так и всего складчатого сооружения в целом, морфология которого: во многом определяется особенностями режима эндогенных процессов, протекающих в астеносфере. Кроме того,получаемые при этом материалы служат основой сбора, обобщения и интерпретации тектонофизи-ческой информации. Тектонофизические методы разделение и реконструкция наложенных полей напряжений по кинематическим характеристикам зеркал скольжения, по структурным рисункам тектонических трещин, даек магматических пород и др., дают возможность выяснить особенности динамической обстановки и полей тектонических напряжений, сопровождавших- формирование геологической структуры в ряду последовательных тектонических циклов. Совместный анализ геолого-струк турных данных способствует выявлению основных механизмов деформации земной коры в различные периоды тектонической истории региона. В ком плексе с геофизическими, геохимическими и петрологическими сведениями,- они обеспечивают А толную характеристику проявления и развития эндогенных режимов, более надёжное обоснование геотектонической природы региона и их минерагенической специализации. 2. Донецкий бассейн, выбранный благодаря хорошей, обнажённости и изученности в качестве эталонного для разработки предложенного направления исследований, характеризуется своеобразной региональной структурной позицией в системе дислокаций Русской платформы, полициклической историей развития геологической структуры, полей напряжений, механизмов деформации земной коры, магматизма и минерагении.

    В основе геологического строения региона устанавливается внутренний байкальский и внешний каледонский грабенообразные прогибы. В определяющем современный морфологический облик Открытого Донбасса герцинском этаже, сложенном мощной угленосной толщей, кроме известного линейного складчатого структурного плана, исследа-ваниями автора , выявлен одновозрастный, генетически связанный с этим планом, скрытый концентрический и наложенный альпийский план тектонических дислокаций. Молодой альпийский структурный этаж, представленный платформенными осадками, наблюдается в настоящее вре^ мя лишь в обрамлении региона, отражает сохранившуюся до современного периода,, относительную тектоническую активность региона.

    Весь комплекс проведенных автором исследований приводит к выводу о том, что Донецкое складчатое сооружение имеет определённую структурную иерархию, в которой устанавливается региональный, мезо-региональный и локальный структурные уровни. Каждый из этих взаимосвязанных уровней несёт индивидуальную информацию о связях структур ных; этажей и планов друг с другом и отражает условия формирования структуры. Региональный уровни выявляемый по зеркалам складчатости отражает рассматриваемое складчатое сооружение в наиболее сглаженном виде, как единое целое. Морфология нижнего и верхнего зеркал позволяет представить пространственное положение и особенности стро ения подстилающего фундамента и перекрывающих складчатый герцински этаж в основном размытых' платформенных отложений. Хорошо выраженная вогнутость нижнего и выпуклость верхнего зеркал свидетельствует о том, что в самой герцинской осадочной толще развивался процесс, формирующий складчатость. Мезорегиональный структурный уровень складчатого сооружения образован крупными линейными складками первого порядка, простирающимися в северо-западном направлении и совмещающимися с продольными разломами фундамента» Локальный уровень образован изгибами простираний горизонтов, флексурами и мелкими складками, выстраивающимися в зоны разных порядков и направлений» Наиболее крупные из этих зон совмещаются с разломами фундамента» Мезорегиональный и локальный уровни отражают координирующее влияние структуры фундамента на развитие складчатости в гер-цинском этаже» В целом Донецкое складчатое сооружение характеризуется сочетанием черт полной и гребневидной складчатости. 3. Тектонические поля напряжений, сопровождавшие развитие геологической структуры Донецкого бассейна, во все периоды его истории характеризуются устойчивостью ориентации осей главных напряжений и общего вида напряжённого состояния регионального уровня описания и высокой изменчивостью на мезорегиональном и особенно на локальном структурном уровне.

    Для байкальского и каледонского периода устанавливается вертикальное направление действия региональных алгебраически минимальных и горизонтальное, поперечное к прогибу, направление региональных алгебраически максимальных главных нормальных напряжений. Общий вид напряжённого состояния приближается к одноосному растяжению, что особенно характерно для каледонского периода.

    В завершение герцинского периода геологического развития региона, отличающегося складкообразующими движениями, устанавливается горизонтальное, перпендикулярное к осевым плоскостям основных складок, направление регионального сжатия и вертикальное региональное растяжение осадочной толщи. Общий вид напряжённого состояния горного массива согласуется с представлениями о чистом сдвиге и г характеризуется примерным равенством по модулю главных нормальных напряжении <93 и .

    В альпийский период активизации тектонического поля - наг-региональном уровне его описания, устанавливается горизонтальная, диа- ; тональная к простиранию герцинских складок, ориентация напряжений и общий вид напряжённого состояния, близкий к простому сдвигу, с периодическими вариациями от условий близких к одноосному сжатию до одноосного растяжения. При этом максимальное сжатие осадочной толщи направлено перпендикулярно к осевым плоскостям альпийских складок, а максимальное растяжение совпадает с простиранием их шарниров. Характер альпийского поля напряжений сохраняется, по данным натурных измерений, в горных выработках до наших дней. 4. Тектонические напряжения и деформации байкальского и каледонского периодов, развивавшиеся в это время в системе Доно-Днепровс-кого авлакогена, характеризуемые вначале относительно локальным, а затем более обширным грабенообразованием, связаны с проявлением механизма поперечного изгиба земной коры и сводообразования в условиях рифтового режима. Относительно обильный, особенно в южном борту бассейна, в девоне, мафитовый и ультрамафитовый эффузивный и интрузивный магматизм перспективен магматогенными месторождениями, среди которых особое внимание привлекают кимберлитовые образов вания.

    Основной механизм позднегерцинского складкообразования, определившего главные морфологические особенности Донецкого складчатого сооружения, характеризуется продольным сжатием многокилометровой 9 преимущественно угленосной, толщи в условиях завершения парагеосинклинального режима» Судя по особенностям соскладчатого поля напряжений и генетического сочетания линейного и концентрического структурных планов герцинского складчатого этажа, а также по приуроченности максимальной мощности осадков, максимальной степени метаморфизма углей и высокотемпературной минерализации, магматизма, кливажа, линейности и др.,- к срединным и южным районам у Донбасса, продольное сжатие при складкообразовании следует связывать с довольно интенсивным прогревом осадочной тодвд , с увеличе- > нием её объёма и ограниченным с боков пространством. Увеличение объёма осадков при их метаморфизме происходило, очевидно, вследствие высвобождения воды, находившейся, в силу малой проницаемости существенно глинистой толщи. при высоких давлениях. В целом состояние осадочной толщи срединных районов Донбасса отражает, по-видимому, начальные стадии зарождения диапира, характерного элемента геосинклинальных складчатых толщ. Процесс складкообразования развивался на фоне общего подъёма региона, носившего концентрический характер распределения величин вертикальных движений и достигавшего в центральных частях, величины 8 - 9 км.

    Механизм периода неотектонической активизации региона характеризуется правосторонним продольно-зональным сдвиганием. Развитие сдвиговых перемещений по краевым и по Центральному Донецкому глубинным разломам сопровождалось возникновением характерного для простого сдвига поля тектонических напряжений и образованием в гер-цинском этаже наложенного, диагонального к общему простиранию складчатости, восток-северо-восточного структурного плана дислокаций. Представления о механизме образования этих дислокаций подтверждены экспериментально при моделировании на эквивалентных материалах. 5. Промышленное ртутное оруденение, определяющее металлогеническую специализацию Донецкого бассейна, образовалось, главным образом, в неотектонический период активизации в условиях преимущественно хрупкой деформации консолидированной земцой коры, в связи с правосторонним сдвиганием вдоль глубинных разломов. Хрупкий характер деформаций обусловил непосредственную связь верхней мантии, служившей основным источником рудоносных растворов.и приповерхностных рудоконцентрирующих структур.

    Структурная позиция ртуторудных полей определяется сочетанием зон дислокаций герцинского и альпийского структурных планов. Исходя из этого, кроме известного Никитовского и Константиновского рудных полей, перспективными на обнаружение новых ртутных месторождений являются Амвросиевский, Миусский, Донецко-Макеевский, Луганский,Гуковский и др. районы.

    В пределах рудных полей распределение ртутных месторождений и рудных залежей зависит не только от структурных и литологических факторов, но и от характеристик поля напряжений локального уровня. Ртутное оруденение приурачивается к участкам наибольшей изменчивости ориентации осей напряжений и проявления деформаций близким к условиям растяжения и сдвигания. На Никитовском рудном поле, - в ~ соответствии с этими представлениями . выделены новые перспективные 1 на ртуть участки в своде Горловской антиклинали и вдоль нового рудоконтролирующего разрыва Софиевского, представляющего собой правый сдвиг, аналогичный главному рудоконтролирующему разрыву Секущей. Приведенная в процессе картирования горных выработок и w тектонофизических исследований систематика структурно-морфологических типов рудных тел способствовало' выполнению Генерального v: пересчёта запасов рудного поля и повышает эффективность поисков богатых рудных тел я текущего планирования очистных работ Никитовского ртутного комбината.

    Распределение угленосных площадей со сложными горно-геологическими условиями ведения горных работ и зон опасных по выбросам угля и газа в горные выработки угольных шахт в значительной мере определяется разломно-блоковой структурой фундамента, а также особенностями альпийского поля напряжений, действующего в земной коре Донбасса и в настоящее время.

    Высокая тектоническая нарушенность, водо- и газообильность горного массива характерна для пограничных участков, разделяющих районы Донецкого складчатого сооружения с несколько различным стилем тектонических дислокаций и прослеживающихся вдоль наиболее крупных разломов фундамента Центральный глубинный разлом, Донецко

    Кадиевский, Амвросиевско-Краснодонский и др. Зоны современной геодинамической активности пространственно также тяготеют к этим структурам, размещаясь однако в ненарушенных, прилегающих к дислоцированным участкам горного массива, способным накапливать упругие напряжения. В пределах этих зон. особенно опасны локальные участки, прилегающие к окончаниям и искривлениям отдельных разрывов, складок и флексур. Исходя из установленной ориентации альпийских тектонических напряжений, в изучаемом районе, и известных закономерностей возмущения регионального поля напряжений вокруг локальных неоднородностей горного массива, в каждом конкретном случае можно прогнозировать места действия повышенных касательных напряжений, предопределяя тем самым возможное положение выбросоопас-ныхугастков. Очевидно, что при ведении горных работ на действующих щахтах и при строительстве новых шахт в процессе освоения новых угленосных районов цолученные результаты заслуживают внимания.

    Развивая данное структурно-тектонофизическое направление исследований эндогенных режимов, на примере Донецкого бассейна автором -впервые было показано, что каждый режим характеризуется проявлением индивидуального поля тектонических напряжений и ведущего механизма деформации земной коры. В следствие такой индивидуализации, в определённые периоды геологической истории, в регионе возникали определённые геологические структуры и месторождения полезных ископаемых. В основе эволюции эндогенных режимов, определяющих развитие геологического строения региона, можно предполагать особенности состояния и развития астеносферы.

    Дальнейшее развитие этого направления исследований во многом зависит от успехов в разработке методов определения всё более широкого набора динамических характеристик процесса деформации крупных регионов и прежде всего величин тектонических напряжений и деформаций, а так же характеристик тектонических движений как вертикальной , так и горизонтальной их составляющих, температурного и геохимического режимов недр. Получение комплекса этих данных является необходимым условием создания теории, тектонических связей,

    К настоящему времени в развитии этого направления исследования, представляется перспективным решение такой важной народно-хозяйственной задачи как прогноз мест локализации полезных ископаемых, а также мест проявления горного удара, выбросов в шахтах на основе оценки степени активности разрывных нарушений. Такой прогноз может быть осуществлён на основе тектонофизических оценок для разных этапов деформирования, исходя из данных об ориентации этих нарушений в тектоническом поле напряжений.