CC BY
56
О вкладе кольцевых структур в напряженно-деформированное состояние литосферы и металлогению
С.Б. Стажевский
Институт горного дела СО РАН, Новосибирск, 630091, Россия
Показаны механизм образования кольцевых структур Земли, природа приуроченности к ним промышленных залежей полезных ископаемых, связь напряженно-деформированного состояния литосферы с протекающими в границах структур тектоническими процессами.
On the contribution of ring structures to the stress-strain state of the lithosphere and to metallogeny
S.B. Stazhevskii
Institute of Mining SB RAS, Novosibirsk, 630091, Russia
Consideration is given to the formation mechanism of ring structures of the Earth and to the corrrelation of mineral deposit occurrence with these structures. The relation of the stress-strain state of the lithosphere to the tectonic processes occurring within the ring structures is shown.
1. Введение
Снимки, сделанные с искусственных спутников, показали, что поверхность Земли наряду с некками, ким-берлитовыми трубками, маарами, кальдерами несет на себе множество других ранее неизвестных с диаметрами от единиц до тысяч километров концентрических образований — кольцевых структур (К-структур). В 1979 г. появилась космогеологическая карта [1] Советского Союза, из которой следует, что кольцевые структуры в его пределах распространены не менее широко, чем ли-неаменты, а большинство из них имеет эндогенную природу.
Структурообразующая роль для Земли таких морфо-элементов была подчеркнута в монографии [2]. Общее представление об этом дает фрагмент карты-схемы, построенной для Азово-Каспийского региона на основе
дешифрования космических снимков (рис. 1 [2]). В той же работе показано, что в границах многих эндогенных кольцевых структур находятся залежи полезных ископаемых. В последующие годы число данных, подтверждающих такую связь, постоянно росло. Из них следует, что с К-структурами пространственно ассоциируется не менее 70-75 % всех месторождений [3].
В пределах России к концентрическим морфообра-зованиям приурочены Норильское [2, 4] и Николаевское [2] месторождения полиметаллов, нефтегазоносные Прикаспийской впадины [3], а также алмазосодержащие кимберлитовые площади Восточной Сибири [3, 5] и др. Поэтому выяснение природы кольцевых структур Земли стало одной из наиболее актуальных научных задач. Существующие версии образования кольцевых структур рассмотрены в [2, 3, 5].
© Стажевский С.Б., 2005
Рис. 1. Карта-схема К-структур Прикаспия
2. Механизм образования К-структур
Исследования [6, 7] привели к заключению, что в основе генезиса эндогенных К-структур лежит феномен [8] всплывания из недр Земли на поверхность локальной области разуплотнения. Первопричина возникновения данной глубинной неоднородности — появление и рост в литосфере (в результате плюм-тектонических процессов [9] и/или химических превращений геовеществ [10]) очага дегазации, а затем его самоликвидация [6, 7]. Проявляется он на рельефе в виде прогрессирующего во времени вздутия — купола. Его прорыв осуществляется в эксплозивной форме и влечет за собой потерю недрами значительных объемов флюидов, расплавов, твердых горных пород (в виде вулканического пепла). Это приводит к превращению очага дегазации, вместе с образованной над ним разрушенной зоной, в представленный существенно разуплотненными породами очаг всплывания кольцевой структуры.
Всплывание как процесс инициируется твердыми (лунными) приливами и гравитационной консолидацией геоматериалов в данной аномальной области — залечиванием наведенной газовым взрывом неоднородности. Уплотнение развивается, начиная от основания «дефекта», и характеризуется периодическим, по мере уменьшения здесь пористости пород, распространением к дневной поверхности «волн» разуплотнения-уплотнения. Одну из них, зародившуюся на глубине Н, демонстрирует рис. 2. На нем приведены фотографии вертикального сечения модельного, сложенного из разноцветных песчаных слоев массива, разрушающегося над медленно опускающимся поршнем, имитирующим консолидацию геосреды в основании реальной очаговой зоны. Эксперимент показывает, что деформационная «волна» продвигается к свободной границе, подчиняясь вполне определенным закономерностям за счет реализации в среде двух последовательных стадий деформирования [6, 7].
На первой из них в «растягиваемом» разуплотняющемся массиве нарезается коническая поверхность скольжения 1, которая, выделив блок Q той же формы (рис. 2, а), перестает функционировать. На втором шаге в массиве организуется цилиндрический пояс локализованных сдвигов 2 (рис. 2, б). Он, присоединяя к объему Q кольцевой с возросшей на начальном этапе пористостью блок G, формирует в зоне, нарушенной взрывом, осесимметричную, с несколько уплотнившимся основанием и повторно разрыхленную выше область всплывания. След полосы скольжения 2 очерчивает при этом на дневной поверхности днище кольцевой структуры. Ее диаметр D примерно равен поперечному размеру глубинной плотностной «аномалии».
Таким образом, в самом общем виде характерный цикл образования кольцевых структур может быть представлен как состоящий из двух стадий: стадии повторного разуплотнения массива (рис. 2, а) и его частичной консолидации (рис. 2, б). Одной из главных особенностей второй является то, что развивающиеся в ходе ее реализации сдвиги и дилатансия «приоткрывают» цилиндрическую поверхность скольжения. Время существования последней в таком состоянии зависит от скоростей и величин проскальзываний вдоль нее и превышает
Рис. 2. Деформированное состояние модельного массива в области под кольцевой структурой
Рис. 3. «Трубообразование» в песчаном массиве
характерное время для сдвиговой полосы 1. По завершению цикла обе начинают залечиваться.
Дальнейшее гравитационное уплотнение геоматериалов под образованной К-структурой происходит за счет многократного воспроизведения указанного элементарного (единичного) цикла и сопровождается медленным продвижением фронта их консолидации по восстанию при параллельном погружении днища К-струк-туры. Данные работ [2, 3], а также собственные исследования приводят к заключению, что в реальном массиве рассматриваемый имеющий прерывистый характер процесс продолжается многие десятки миллионов лет. Прекращается он после устранения наведенного дегазацией «дефекта» в литосфере [6, 7].
Фотографии на рис. 2 иллюстрируют единичный цикл разуплотнения-уплотнения среды над «дефектом», залегающим на глубине Н ~ Б. Если Н >> Б, то данный элементарный акт всплывания, повторяясь, распространяется по восстанию (рис. 3). Захватываемая этим процессом область становится удлиненной трубообразной («эффект трубы»). С такой самоорганизацией геосреды связаны появление на Земле мааров, образование мульд и провалов над обрушающимися выработанными пространствами, карстовыми пустотами и полостями, наведенными ядерными взрывами [6-9].
3. К-структуры и металлогения
Одной из главных особенностей цилиндрической разуплотненной области под «живыми» кольцевыми структурами является гораздо более высокая, чем общая, пористость принадлежащих ей поверхностей локализации сдвиговых деформаций 1, 2 (см. рис. 2, 3) [6, 8]. Это означает, что максимально «приоткрывающиеся» и «подновляющиеся» во время функционирования полосы кольцевых структур скольжения становятся хорошими проводниками, а также накопителями для высоконапорных, поднимающихся с глубин дегазирующейся Земли газово-жидких флюидов. Среди них находятся и рудоносные. Таким образом, аномально разрыхляющиеся под кольцевыми структурами коническая и цилиндрическая поверхности сдвига оказываются идеальными потенциальными коллекторами для рудосодержащих растворов. При этом металлогенез способен в какой-то степени затрагивать и нарушенные при деформировании блоки Q, G (см. рис. 2).
Рис. 4. Объемная картина Капаевского месторождения магнетита
Рис. 5. Одна из малых К-структур Тунгусской синеклизы
На рис. 4 [11] (с изменениями) представлена объемная картина Капаевского месторождения магнетита (Ангарская железорудная провинция). Полезное ископаемое показано темным цветом. Для большей выразительности характерные зоны 1, 2 его концентрации несколько удлинены за счет штрихов. Из иллюстрации следует, что основная рудоподводящая составляющая залежи с поперечным размером до ~ 1 300 м имеет трубообразную изометричную в плане форму, внешние субрадиальные разломы, а в приповерхностной части — слабое расширение. По данным бурения для «внутреннего строения (Ка-паевской трубы) характерно наличие грубообломочного обрушенного и просевшего материала ...» [11].
Эти факты вместе с другой информацией, полученной при разведке, привели автора [11] к выводу о связи генезиса рассматриваемого и подобных ему «месторождений со структурами типа вулканических трубок или трубок взрыва», появлению которых предшествует «предвулканическое воздымание куполовидных структур».
Данное заключение достаточно близко тому, которое вытекает из представленной выше модели [6]. Если следовать ей, то обладающее указанным перечнем характерных особенностей рудоносное морфообразование — не что иное, как относительно небольшая эндогенная кольцевая структура, сформированная по «сценарию», показанному на рис. 2, 3. Дополнительным аргументом в пользу такого вывода является вертикальный профиль 160 месторождения (см. рис. 4), который, вплоть до деталей (с поправкой на взрыв), повторяет полученный в лабораторном эксперименте (см. область А на рис. 3).
Рудопроявления в продемонстрированной форме широко распространены не только в Ангарской железорудной провинции, но и ряде других регионов планеты. Так, анализ выходов железных руд в пределах обширного туфового поля на юге Тунгусской синеклизы «показал, что 34 из 47 известных их проявлений приходятся на территорию вулканоструктур» [12], аналогичных приведенной на рис. 5 [12]. «На Канадском щите отработано месторождение золота Хорн. На месторождении. выделено 25 рудных тел в основном трубообразной формы» [13]. Из [2, 5] следует, что диаметры структур, вмещающих запасы полезных ископаемых, могут составлять десятки и сотни километров.
Таким образом, данные геологоразведки и горной практики говорят, что рудообразование в Капаевском месторождении, а также во всех иных, подобных ему, контролировалось тектоническими процессами, развивавшимися в соответствии с закономерностями [6], проиллюстрированными на рис. 2, 3. Богатые рудой области 1, 2 залежи (см. рис. 4) представляют собой принадлежащие кольцевым структурам залеченные глубинными растворами локальные наиболее разуплотненные области конической и цилиндрической полос скольжения (см. рис. 2, 3). Мощность последних зависит от диаметра кольцевых структур и у самых крупных из них достигает десятков километров [6]. Показанный механизм является ключевым в генезисе не только месторождений твердых полезных ископаемых, но и жидких.
Одно из подтверждений тому содержится на рис. 6. На нем приведен фрагмент карты [14] с Каспийским
Рис. 6. Южно-Каспийская кольцевая структура
Рис. 7. Изменение коэффициента бокового распора в области под К-структурой при ее всплывании
морем. Часть его занимает Южно-Каспийская тафро-генная [15] впадина. Она вмещает 2/3 объема вод моря и имеет аномально большие глубину и мощность осадочного слоя [16].
Эти особенности вместе с рядом других черт, характерных для данного прогиба, позволяют заключить, что он является частью днища «неправильной» [7] с диаметром порядка 400 км кольцевой структуры. На рис. 6 она подчеркнута нами пунктирами. Генезис подобных кольцевых структур, следуя [7], в целом такой же, как у приведенных на рис. 4, 5. Именно поэтому нефтегазоносные месторождения южной части моря (обозначены треугольниками), по аналогии с залежами, существующими у К-структур на рис. 4, 5, приурочены к следу цилиндрической поверхности скольжения, в данном случае выделившей Южно-Каспийскую кольцевую структуру.
4. К-структуры и напряженно-деформированное состояние в области их всплывания
В [6] обосновано, что определяющая роль в реализации в породном массиве представленного на рис. 2 единичного цикла принадлежит дилатансии. Она в ходе его развития вызывает изменения в деформируемой области коэффициента бокового распора £ и радиальных напряжений стг. Поведение £ иллюстрирует кривая, построенная в координатах £ — смещения и кровли очага по падению (рис. 7). На стадии I £ возрастает от некоторого статического £с до £тах, на стадии II снижается до £ . Значения коэффициента £ и напряжений стг в области всплывания меняются в разы; £тах ^ 1
[6, 17].
Кривая на рис. 7 заканчивается характерным участком 1. На нем £ в деформируемой области падает от £ до исходного £с. Это связано с релаксационными явлениями, которые в ней начинают осуществляться при остановке процесса и для своего завершения требуют определенного времени. Участком, подобным 1, кривая может прерываться в любой точке. Таким образом, на-
пряженно-деформированное состояние массива в области под кольцевыми структурами в ходе их эволюции подвержено многократным и существенным квазиста-тическим изменениям. Реализуются они на фоне периодических остановок процесса и частичного залечивания нарушений дегазацией геосреды.
Кольцевые структуры вместе со своим «корнем» в виде цилиндрической области разуплотнения формируют в литосфере круговые в плане «дефекты». Подобные ослабления, как известно из механики, оказываются концентраторами напряжений. Отсюда следует, что напряженно-деформированное состояние массива в области всплывания К-структур влияет на напряженно-деформированное состояние регионов, их вмещающих. Существует и взаимовлияние с «обратной» направленностью.
Однако наиболее важным является то, что на картину напряженно-деформированного состояния, нарисованную выше для территорий, осложненных кольцевыми структурами, может накладываться динамическая составляющая. Как известно [18], диаграмма напряжения - деформации для горных пород имеет ниспадающую ветвь. Это приводит к тому, что эволюционирование К-структур по схеме на рис. 2 сопровождается микросейсмичностью и эпизодически, при хрупком разрушении в их границах значительных по объему областей, — с той или иной магнитудой землетрясениями. По-видимому, в каких-то случаях триггером для них способна становиться техногенная деятельность внутри кольцевых структур.
Приуроченность к концентрическим морфообра-зованиям сейсмичности подчеркивается в [2]. На ее прямую связь с К-структурами указывает и тот факт, что общая «геодинамика региона (приведенного на рис. 6) определяется, прежде всего, высокой локальной мобильностью Южно-Каспийской впадины» [16].
Судя по всему, ею же продиктован циклический характер поведения во времени уровня Каспия (рис. 8 [19]). Периоды его понижения связаны со стадиями разуплотнения массива под Южнокаспийской кольцевой структурой (см. рис. 2, а), подъема — с фазами ожив-
Рис. 8. График изменения во времени уровня Каспийского моря
ления ее цилиндрической поверхности скольжения (см. рис. 2, б) и поступления через нее на дневную поверхность порций глубинных высоконапорных вод. По данным [20] запасы мантийной Н2О соизмеримы с заключенными в гидросфере Земли.
Таким образом, концентрические образования Земли являются одними из важнейших ее морфоструктурных единиц, которые требуют к себе со стороны специалистов в области механики горных пород, геофизики, геотектоники, геологии, экологии самого пристального внимания.
Литература
1. Космогеологическая карта линейных и кольцевых структур терри-
тории СССР. - М.: Мингео СССР, 1979.
2. Космическая информация в геологии. - М.: Наука, 1983. - 534 с.
3. Брюханов В.Н., Буш В.А., Глуховский М.З. и др. Кольцевые структуры континентов Земли. - М.: Недра, 1987. - 185 с.
4. Петров А.И., Сироткин Т.Н., Суслов М.Н. Общие особенности строения и никеленосность Печенгской, Садбери и Норильской структур // Докл. АН СССР. - 1980. - Т. 251. - № 5. - С. 12111213.
5. Серокуров Ю.Н., Калмыков В.Д., Зуев В.М. Космические методы при прогнозе и поисках месторождений алмазов. - М.: Недра, 2001. - 198 с.
6. Стажевский С.Б. Кольцевые структуры в эволюции небесных тел Солнечной системы. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 1998. -106 с.
7. Стажевский С.Б. Генезис «неправильных» кольцевых структур Луны и Земли. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 1999. - 86 с.
8. Машуков В.И., Стажевский С.Б., Шемякин Е.И. О всплывании полостей в массивах горных пород // Докл. РАН. - 1997. - Т. 356. -№ 6. - С. 818-820.
9. Marujama Sh. Plume tectonics // J. Geol. Japan. - 1994. - V. 100. -No. 1. - P. 24-34.
10. Раст X. Вулканы и вулканизм. - М.: Мир, 1982. - 344 с.
11. Фон-дер-Флаасс Г. С. Структура Нерюндинского и Капаевского месторождений магнетита (Ангарская железорудная провинция) // Геология и геофизика. - 1977. - № 6. - С. 63-69.
12. Сапронов Н.Л. Древние вулканические структуры на юге Тунгусской синеклизы. - Новосибирск: Наука, 1986. - 104 с.
13. Жупахин Е.Н., Кудрявин Ю.А., Курашов Б.А. Палеовулкан «Юкагир» // Астеносфера и литосфера Северо-Востока России (структура, геокинематика, эволюция). - Магадан: СВКНИИ ДВО РАН, 2003. - С. 186-188.
14. Физико-географический атлас мира. - М.: АН СССР, ГГК СССР, 1964. - 298 с.
15. Белоусов В.В., Павленкова Н.И. Взаимодействие Земной коры и верхней мантии // Геотектоника. - 1986. - № 6. - С. 8-20.
16. Лилиенберг Д.А. Тенденции современной эндодинамики Каспия и изменения уровня моря // ДАН. - 1993. - Т. 331. - № 6. - С. 745750.
17. Скориков Б.А., Стажевский С.Б., Шемякин Е.И. К усилению стен силосов // Строительная механика и расчет сооружений. -1985. - № 1. - С. 57-60.
18. Ставрогин А.Н., Протосеня А.Г. Прочность горных пород и устойчивость выработок на больших глубинах. - М.: Недра, 1985. -271 с.
19. Зверев В.П., Костикова Н.А. Возможно ли влияние подземных вод на изменение уровня Каспия? // Вестник РАН. - 1999. - Т. 69. -№ 3. - С. 209-215.
20. Gillet P. L’eau du manteau terrestre // La Recherche. - 1993. -V. 255. - P. 676-685.
