CC BY
37
© С.А. Константинова, Г.Г. Кассин,
Л. Г. Мустафин, 2003
УЛК 53.087;531.3; 550.3; 622.831
С.А. Константинова, Г. Г. Кассин, Л. Г. Мустафин
НЕКОТОРЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РЕТРОСПЕКТИВНОГО АНАЛИЗА ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ЛАННЫХ ПО АВАРИЙНОМУ УЧАСТКУ НА ВТОРОМ СОЛИ КАМСКОМ РУЛНИ Е
Эпицентры негативных событий в Верхнекамском регионе территориально совпадают с областями динамического влияния (ОВД) субмеридиональных, субширот-ных и, особенно, диагональных разломов, которые отражены на схеме разломно-блоковых структур, приведенной в [1, 2].
В классическом случае под термином «разлом» («разрывное нарушение») понимается некоторая широкая (до десятков километров) линейно вытянутая трещинная зона, уходящая вниз до глубин, на которых литосфера остается еще хрупкой (до верхней мантии).
Разломы характеризуются:
• сложным строением как по простиранию, так и по падению:
• областью своего динамического влияния (ОДВ).
Под областью динамического влияния разлома понимают часть геологического пространства, характеризующуюся остаточными деформациями, интенсивность которых затухает с удалением от оси разлома.
Разломы, сформировавшиеся в один этап тектогенеза, характеризуются одинаковыми азимутами простирания и выдержанностью расстояний между разломами одинаковых рангов, т.е. образуют систему. Процесс деформирования и разрушения геологической среды является автомодельным, т.е. протекает единообразно на всех масштабных уровнях и мало зависит от вещественного состава и структуры.
В зонах разломов всегда существуют области концентрации напряжений (Садовский, 1979; Григорян, 1988). Геоматериал в этих областях обладает пониженной прочностью и повышенной деформированностью по сравнению с материалом контактирующих по разлому блоков. Поэтому тектонические или техногенные (или их сумма) воздействия по достижению предельных напряжений приводят к разрушению геоматериала, которое может произойти в квазистати-ческой форме, а может - в динамической, когда часть накопленной энергии переходит в энергию сейсмических волн.
Среди всех разновидностей разломов сдвиги и сдвиговые зоны наиболее неустойчивы в различных полях напряжений [3]. В этой связи в [1] было отмечено, что в Верхнекамском регионе имеет место сдвиговый геодина-мический режим [4].
Первоначальной основой для выделения разломных зон явля-
ются данные геофизических (гравиметрических и магнитных) измерении.
Традиционно считается, что в магнитном поле и поле силы тяжести разрывные нарушения как в кристаллическом фундаменте, так и в осадочном чехле, отображаются в виде ступеней различной амплитуды (линейных зон изолиний поля), либо цепочками локальных максимумов или минимумов измеряемых параметров.
Согласно положениям текто-нофизики в надразломных зонах платформенного чехла в случае горизонтальных сдвигов развиваются пликативно-
дизъюнктивные деформации с зонами трещин, но не в виде флексур, а в более сложных локальных формах, в виде цепочек деструктивных участков. Разломы-сдвиги в сравнении, например, со сбросами картируются значительно труднее (даже сейсморазведкой и бурением), однако их можно выделять и прослеживать по данным гравиметрии по цепочкам локальных аномалий, но при одном условии
- наличии крупномасштабных съПмок. Дискретность разломов-сдвигов в аномальных геофизических полях следует всегда иметь в виду.
На картах и схемах разломы изображаются не одной, а двумя линиями, определяющими в плане ОВД разлома. Указанные на тектонических схемах поперечные размеры ОВД разломов яв-
ляются приближенными и могут изменяться как по всей длине разлома, так и на отдельных его участках. Эта особенность связана с одним из важнейших свойств тектонических нарушений - дискретностью их проявления: вдоль разлома интенсивная деструкция геологической среды чередуется с участками слабой деструкции.
Известно, что наиболее сильные землетрясения и другие негативные события происходят в пределах узлов пересечения разноориентированных разломов.
Поэтому при изучении разломно-блоковой тектоники конкретной территории особого внимания заслуживают узловые структуры. В Восточных Карпатах, например, наблюдается чПткая приуроченность эпицентров землетрясений к узлам пересечения диагональных разломов. Катастрофическое землетрясение 1988 г. в г. Спитак произошло на участке пересечения трПх разноориентированных разломов.
В связи с вышесказанным авторами был проведПн ретроспективный анализ результатов геофизических съПмок на участке аварии, которая произошла 5 января 1995 г. на Втором Соликамском руднике и достаточно подробно описана в литературе [5, 6]. Анализ был проведПн с применением ГИС-технологий. Следует здесь особо отметить, что все геофизические съПмки были выполнены до 1990 г и тогда же была выполнена геологическая интерпретация их результатов [7].
На рис. 1а, б представлена карта магнитного поля на участке исследования, полученная пу-тПм проведения аэромагнитной съПмки масштаба 1:10000 на разных высотах (500 м и 50 м).
Карта на рис. 1а характеризует аномальное поле, связанное, в основном, с влиянием дорифей-ского фундамента. Только в нижней части рис. 1а наблюдаются заметные субширотные возмущения поля, обусловленные строением Дуринского прогиба, точнее - структурными особенностями шешминских образова-
ний с повышенной намагниченностью. Осложнение магнитного поля в районе г. Соликамска скорее всего связано с наземными сооружениями, а не геологией.
Карта на рис. 1б отражает суммарное влияние как фундамента, так и осадочного чехла. На фоне регионального поля от фундамента регистрируются локализованные в плане изомерные и линейные аномалии, явно несущие информацию от неоднородностей платформенного чехла. Например, чПтко прослеживается внешний северный борт Дуринского прогиба и его внутренние структуры.
На рис. 1а, б показаны также три полосовые локальные магнитные аномалии от осадочного чехла. Вдоль каждой из них по поперечным насечкам были выполнены расчПты по оценке глубин до возмущающих магнитных масс. Результаты расчПтов показали, что магнитные неоднородности вдоль этих полос (их центры) располагаются на глубинах от 120 м до 230 м от дневной поверхности, т.е. внутри надсоле-вой породной толщи.
Остановимся на анализе наблюденного магнитного поля и отражении в нПм разломов □ 1, 2, 3 (см. рис. 1а, б).
Меридиональный _____________
разлом П1 в региональном магнитном поле (см. рис. 1а) отражения не имеет, а с локальными аномалиями от осадочного чехла (см. рис.
1б) его связь очевидна. От скв. 643 (на юге) до скв. 220 (на севере) по зоне разлома □ 1 протягивается полосовая магнитная аномалия, свидетельствующая согласно расчПтам о наличии в зоне разлома аномальных магнитных неоднородностей в надсоле-вой толще. Исходя из данных магнитометрии, можно сделать
вывод о том, что разлом □ 1 является, скорее всего, палеозойским, проявившим активность в верхнепермское или более позднее время.
Разлом □ 2 северо-западного простирания полностью согласуется в плане с региональным магнитным полем от фундамента (см. рис. 1а) и практически не находит отражения в распределении локальных магнитных аномалий от чехла (см. рис. □ 1б).
Фрагмент разлома ^2 является только частью крупнейшей зоны разломов [8, 9], которая протягивается через Урал от Балтийского щита на Кольском полуострове до Кокчетавского массива в Сибири.
Разлом □ 2 (см. рис. 1) является древнейшим линеаментом, образовавшимся в дорифейское время, которое сопровождалось интенсивной магматической деятельностью с излиянием магмы основного и ультраосновного состава. В последующие этапы развития по этому разлому (назовем его Тиманским) произошли крупные блоковые подвижки, определившие структурную границу между Волго-Уральским поднятием и Тимано-Печорской синеклизой.
Зона Тиманского линеамента (разлома) представляет собой
систему дизъюнктивов, одним их которых и является разлом □ 2, проходящий через аварийный участок. Разлом □ 2 не находит заметного отражения в структуре различных горизонтов платформенного чехла и поверхности фундамента, поэтому (предварительно) можно предполагать о сравнительно слабой его тектонической активности в палеозойское время.
Разлом широтного ориентирования □ 3 (см. рис. 1) на картах магнитного поля в пределах рассматриваемого участка практически не проявляется. Можно только отметить резкий разворот полосовой магнитной аномалии в зоне разлома □ 3.
На рис. 2 приведены данные электроразведки для рассматриваемого участка, полученные в результате площадной съемки методом вертикального электрического зондирования по системе широтных профилей (1989 г.), по которым составлена карта расположения линейных аномалий с пониженным электрическим сопротивлением горных пород в верхней части разреза. Низкоомные зоны следует рассматривать как полосы пород с повышенной трещиноватостью и обводненностью.
Обращают на себя внимание две особенности распределения электрических аномалий:
• коррелируемость аномалий на значительные расстояния;
• приуроченность практически всех аномалий на рассматриваемой территории к зонам субмеридиональных разломов Ш и М (см. рис. 2).
Особенно четкая сходимость наблюдается в северной части разлома П4, где границы последнего полностью совпадают с двумя линейными аномалиями.
Данный пример указывает на то, что в пределах Верхнекамского месторождения калийных и калийно-магниевых солей (ВКМКС) модель разлома может быть представлена в виде двух парных дизъюнктивов, «вырезающих» в осадочной толще блок смещенных по вертикали оса-
дочных образований.
Такая модель девонских микрограбенов шириной в поперечнике около 1 км широко распространена на территории всего Урало - Поволжья.
По результатам электрометрии отметим следующее:
• зона разлома □1 сопровождается по всей его длине нарушенностью пород надсолевой толщи, то есть можно предполагать наличие подвижек по разлому после формирования надсолевой толщи осадков (аналогичный процесс по разломам □2 и П3 электрометрией не фиксируется);
• электрометрия может
внести существенный вклад в картирование активных дизъюнктивных нарушений и в уточнение разломно-блоковой тектонической модели породной толщи на ВКМКС.
На рис. 3 показана схема наблюденного гравитационного поля и выделенные разломы □ 1,
2 и 3. Из рис. 3 видно, что наиболее чПтко выделяется меридиональный разлом П1 в виде гравитационной ступени, характерной для дизъюнктивных нарушений со смещением по вертикали. Геологическая природа этой линейной аномалии, скорее всего, связана с резкими структур-но-фациальными изменениями горизонтов платформенного чехла и одновременно с разломом фундамента. Оценочные расчеты показали, что возмущающие неоднородности располагаются на глубине около 2 км, а поверхность фундамента залегает на глубине 5 км.
Широтный разлом □ 3 сопровождается по всей длине (в пределах рис. 3) не столь яркими, как разлом □ 1, но всП же заметными осложнениями изоано-мал гравитационного поля. Наблюдаются аномальные участки поля и вдоль разлома □ 2. Так, в юго-восточной части схемы на
рис. 3 меридиональная градиентная зона вдоль разлома П1 резко разворачивается на юго-восток вдоль разлома □ 2. В северозападной части схемы на рис. 3 изоаномалы наблюденного поля приобретают согласное с разломом □ 2 простирание.
Учитывая общее свойство разломов - фрагментарность деформационных процессов и соответственную прерывистость аномалий геофизического поля, можно сделать вывод о том, что все три разлома □ 1, 2, 3 на рис.
3 находят отражение в гравитационном поле и сопровождаются аномалиями от неоднородностей внутри осадочного чехла. Бесспорно, наиболее выразительную аномалию можно наблюдать в зоне разлома □ 1. Характерно, что зона этого разлома по всей длине насыщена линейными локальными аномалиями гравитационного поля (рис. 4), которые следует, видимо, интерпретировать как трещинные зоны в надсолевой толще. В целом же отмеченные локальные аномалии распространены по всей площади аварийного участка (см. рис. 4) и имеют преобладающую субмери-диональную ориентировку.
Кроме линейных (полосовых) аномалий в пределах аварийного участка к югу от скв. 122 (рис. 4) выявлена изомерная в плане довольно интенсивная отрицательная аномалия гравитационного поля (см. рис. 3), которую назовем условно Центральной. Проведанные оценочные расчеты
указывают на то, что связанные с этой аномалией плотностные неоднородности располагаются внутри осадочного чехла и затрагивают, по-видимому, надсо-левую толщу. По характеру поля этой аномалии возможен вариант локального поднятия кровли солей с очень малыми поперечными размерами.
Не исключено также, что причиной образования Центральной аномалии являются интенсивные деструктивные преобразования надсолевой толщи с образованием зоны многочисленных трещин.
Тектонической особенностью пространственного положения Центральной аномалии является ее приуроченность к узловой структуре - узлу пересечения трех разноориентированных разломов □ 1, 2, и 3 образующих в плане треугольник. Известно, что такие узлы характеризуются повышенной раздробленностью земной коры, повышенной проницаемостью для флюидов и тектонической активностью. Поэтому Центральная аномалия, по-видимому, может обладать особенностями строения узловых структур и вместе с линейной отрицательной аномалией (рис. 4, скв. 122) может представлять наиболее ослабленный в прочно-
стном отношении участок с развитием тектонической трещиноватости пород надсолевой толщи. На современную тектоническую активность узлового треугольника косвенно указывает развитая сеть трещинных линейных зон (см. рис. 4).
Из рис. 5 видно, что не наблюдается существенных различий между тектоническими схемами Г.Г. Кассина и В.В. Филатова [7] и А.К. Вишнякова и Р.Н. Валеева [11]. Заметим, что карта А.К. Вишнякова и Р.Н. Валеева [11] была опубликована в 1975 г. и предложена в качестве основы для безопасного ведения горных работ на рудниках ВКМКС.
Авторы карты [11] провели линию разлома □ 2 по осевой части линейной магнитной аномалии, а Г.Г. Кассин линию разлома □ 2 закартировал по градиентной зоне той же аномалии. Зона повышенной трещиноватости по данным [11] совпадает с разломом □ 2 (см. рис. 5). Распределение мегатрещин по данным [11] имеет сложный характер. Вместе с этим можно отметить в пределах структурного узла наличие мегатрещин, простирающихся вдоль разломов □ 1 и
□ 3 и в меньшей степени - вдоль разлома □ 2.
Следует отметить хорошую согласованность результатов
сейсмо- и гравиразведки в зоне обрушения на Втором Соликамском руднике. В районе скв. 122 ранее [7] была выявлена линейная отрицательная аномалия силы тяжести «А» (см. рис. 4), простирающаяся в меридиональном направлении, а также предложена физико-геологическая модель геологического разреза, согласно которой данная аномалия объяснялась зоной разуплотнения пород надсолевого комплекса в связи с повышенной их трещиноватостью. Сейсмическими работами эта модель полностью подтвердилась: зоне «А» на сейсмическом разрезе по профилю □ 595 С2 МоГт [12] соответствует блок сильно нарушенных системой дизъюнктивов пород надсолевой толщи. По этим дизьюнк-тивам, простирающимся внутрь соляной толщи, видимо, и произошло смещение восточного блока породного комплекса с опусканием в восточном направлении. Дизъюнктивы развиты и далее к востоку (см. сейсмогео-логические разрезы в [12]), характеризуя блочное строение рассматриваемой узловой структуры.
Сейсмические данные увязывают осложненное строение уз-
ловой структуры (рис. 6) с наличием дизъюнктивов разного типа
- сбросов и надвигов. Выявленная сейсморазведкой грабенообразная структура в районе скв. 122 не согласуется по простиранию с линейной гравитационной аномалией «А» (см. рис. 4). Это несоответствие может быть объяснено или сложным плановым положением сейсмических профилей, или проведением контуров нарушений по разным стратиграфическим горизонтам. Отметим только, что трещинная зона «А» от скважины 122 простирается на юг в сторону от другой грабенообразной структуры около скв. 142 (см. рис. 6).
На рис. 6 нанесена зона гали-тизации сильвинитов, совпадающая с участком пересечения разломов. Такие зоны (зоны замещения) некоторые исследователи связывают с процессами, происходящими в зонах разломов [11]. Поэтому наличие локального участка галитизации можно рассматривать как косвенный признак активных процессов по разломам на данном участке.
Вдоль разлома □ 2 (чуть восточнее от него) сейсмическими работами картируется несколько фрагментов разломов-сдвигов
(см. рис. 6). Если по простиранию эта полоса сдвигов согласуется с разломом □ 2, то их несовпадение в плане объяснить сложнее. Возможно, что разлом
□ 2 и сдвиги выделялись по разным стратиграфическим горизонтам и при наклонном падении сместителя несовпадение можно объяснить логически без затруднений. Зона разлома □ 2 подтверждается сейсмическими работами фрагментарно: в северной части схемы на рис. 6 - нарушением типа сдвига, в центральной - предполагаемым надвигом, в южной - грабенообразной структурой.
Из анализа приведенных выше первичных геологогеофизических материалов по участку аварии 05.01.95 на шахтном поле Второго Соликамского рудника можно сделать следующие выводы.
• Для узловой структуры характерно сложное, иногда не-согласогласованное в плане и в разрезе распределение локальных структурных элементов и геофизических аномалий, что может быть объяснено разным характером распределения действующих тектонических сил как в пространстве, так и во времени. Наибольшая деструктивность геологической среды наблюдается на участке пересечения разломов П1 и П2.
• Как на площади узла пересечения трех разломов, так и за его пределами, сейсмические данные подтверждают положение о разломно-блоковом строении не только фундамента, но и горизонтов осадочного чехла, непосредственно подстилающих каменную соль, и надсолевой толщи.
• Разломы П2 и П1 отличаются друг от друга по рангу, времени заложения и по другим параметрам. Диагональный разлом П2 относится к числу древнейших (дорифейских) и крупнейших разломов, а меридиональный разлом П1 имеет более низкий ранг с более поздним (фанерозойским) этапом формирования. Несмотря на древность, разлом П2 в пределах рассматриваемого узла по сумме признаков следует относить к числу нарушений, проявлявших активность в новейшее и, возможно, в настоящее время. Об этом свидетельствуют геоморфологические аномалии, газопроявления в солях, мегатрещины (см. рис. 5), а также совре-
менные геодинамические события (авария 05.01.95).
• Важное значение в текто-
нике рассматриваемого участка имеют выделяемые по гравитационному полю линейные зоны повышенной трещиноватости,
которые можно классифицировать как дизъюнктивы IV или V рангов. Одна из таких зон (зона «А» на рис. 4) подтвердилась сейсморазведкой в виде пучка сближенных дизъюнктивов в надсолевой толще [12].
• В пределах рассматри-
ваемой узловой структуры следует обратить внимание на изомерную в плане отрицательного аномалию гравитационного поля к югу от скв. 122 (см. рис.
4). Если в ее пределах нет резкого выступа кровли солей, то можно ожидать существенное разуплотнение и разупрочнение пород надсолевой толщи в пределах этой аномалии. Дополнительным основанием такого предположения является трещинная зона «А» (см. рис. 4), которая, как отмечалось выше, подтверждена сейсмическими работами и с севера продолжается в пределы изомерной Центральной аномалии.
Таким образом, узловая структура на аварийном участке Второго Соликамского рудника и в его окрестности, образуемая пересечением трех разноориентированных разломов, отличается от соседних территорий сложностью геологического строения
• по подсолевым горизонтам разреза (тектонические нарушения, Поповская структура),
• по соленосным слоям (га-литизация сильвинитов),
• по надсолевой толще (дизъюнктивы и локальные зоны повышенной трещиноватости).
1. Константинова С.А., Чернопазов С.А., Гуляев А.А. Оценка естественных напряжений в породном массиве Верхнекамского региона на основе блочно-иерархической модели // ФТПРПИ. - 2001. - П5.
2. Константинова С.А. О природных причинах негативных событий в Верхнекамском промышленном регионе // Безопасность труда в промышленности. - 2002. - П2.
------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
3. Шерман С. И. Стационарные и нестационарные
модели деформирования полей напряжений в зонах разломов // Напряжения в литосфере: Тез. докладов. - М.:
РАН, 1994.
4. Ярошевский В. Тектоника разрывов и складок. -М.: Недра, 1981.
5. Акимов А.Г., Кузнецова ЕИ. Причина и последствия внезапного обрушения горных пород на Втором Соликамском калийном руднике // Горн. журн. - 1997. - П8.
6. Проблемы геодинамической безопасности недр и земной поверхности на территории Верхнекамского месторождения калийных и калийно-магниевых солей // Безопасность труда в промышленности. - 2001. - П4. - с. 45-47.
7. Кассин Г.Г., Филатов В.В. Геодинамический анализ Верхнекамского месторождения калийных солей по геофизическим данным // Геофизические аспекты изучения геологического строения Верхнекамского месторождения калийных солей. - Л.: ВНИИГалургии, 1989.
8. Ярош А.Я. Разломы кристаллического фундамента восточных районов Русской платформы Западного При-уралья // Сов. геология. - 1966. - ею.
9. Кассин Г.Г., ШершнОв К.С. Разломы Среднего Приуралья // Разломы земной коры Урала и методы их изучения. - Свердловск: Изд. УНЦ АН СССР, 1983.
10. ОтчОт о геофизических работах на верхнекамской площади в 1987^89 г.г.: ОтчОт о НИР / ПГО; рук. В.П. Беляев. - Свердловск, 1989.
11. Валеев Р.Н, Вишняков А.К. Карта расположения разломов фундамента территории Верхнекамского месторождения масштаба 1:100000. - Казань, 1975.
12. Петротектонические основы безопасной эксплуатации Верхнекамского месторождения калийно-магниевых солей / Под ред. Н.М. Джиноридзе. - СПб.; Соликамск, 2000.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ --------------------------------------------------------------------------------------------
Константинова Светлана Александровна - доктор технических наук, профессор, зав. лабораторией геодинамической безопасности Уральского научно-исследовательского и проектного института галургии (ОАО «Галургия»), г. Пермь.
Кассин Геннадий Григорьевич - кандидат геолого-минералогических наук; доцент каф. структурной геофизики Уральской государственной горно-геологической академии (УГГГА), г. Екатеринбур.
Мустафин Денислам Галимянович - инженер лаборатории геодинамической безопасности Уральского научноисследовательского и проектного института галургии (ОАО «Галургия»), аспирант каф. разработки месторождений полезных ископаемых (РМПИ) Пермского государственного технического университета (ПГТУ).
