CC BY
4УДК 550.83: 553.9
Т.П. Волкова, К.В. Репина, А.А. Петрова
ОЦЕНКА ГЕОДИНАМИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ РАЗЛОМОВ ПОЛЯ ШАХТЫ «КАЛИНОВСКАЯ-ВОСТОЧНАЯ»
Разработана методика количественной оценки геодинамической активности разломов в пределах шахтного поля, основанная на анализе структурно-геологических, геоморфологических и геодинамических признаков. Обоснованы баллы, назначаемые за каждый признак. Проведена сравнительная оценка геодинамической активности разломов поля шахты «Калиновская-Восточная» по комплексу признаков.
Ключевые слова: разлом, складки, рельеф, скважины, баллы, оценка.
Введение
Вопрос о необходимости оценки геодинамической активности разлома возникает как в научных, так и практических целях. На сейсмически опасных территориях решение этого вопроса определяет прогноз возможных землетрясений. Во всех остальных регионах с решением этого вопроса связаны инженерные изыскания под строительство, мониторинг оползневых процессов, обеспечение безопасности труда горняков в горнодобывающих районах. В научных исследованиях, сопровождающих эти мероприятия, решение этого вопроса определяет участок мониторинга, методику прогноза сейсмичности, газоносности и вы-бросоопасности массивов пород.
При отсутствии ярко выраженной сейсмичности сложность оценки геодинамической активности разлома заключается в определении основных признаков её проявления. Одним из основных геологических признаков, определяющих активные разломы, считается их проявление в рельефе земной поверхности
[1]. Методы реконструкции тектонического рельефа применялись на больших площадях, для крупных структур земной коры [2]. Для исследования геодинамической активности разломов на небольших площадях, размером в шахтное поле эффективность методов реконструкции тектонического рельефа не проводилась.
Цель данного исследования заключается в разработке комплекса признаков и сравнительной оценке активности тектонических разломов на шахтном поле. Задачами исследования были:
- подбор методики, позволяющей определить активность разлома на небольшой площади размером в шахтное поле;
- определение признаков проявления геодинамической активности;
- выполнение количественной оценки геодинамической активности разломов шахтного поля.
Теория
Геодинамическая активность разломов является результатом совместного действия планетарных и даже космических факторов
[1] - [3]. Источником геодинамической активности структур земной коры являются процессы, происходящие в мантии и ядре Земли под действием планетарных факторов. В этом аспекте геодинамическая активность разломов тесно связана с их глубинностью, которая отражается рядом признаков, а именно:
- длиной;
- выраженностью в рельефе;
- амплитудой смещений пластов;
- глубиной распространения разлома от поверхности;
- мощностью зоны дробления;
- отсутствием или небольшой мощностью кайнозойских отложений.
В зависимости от цели исследования оценка активности разлома проводится на разных глубинах. В соответствии с этим меняется значимость признаков. В платформенном чехле над активным разломом фундамента формируется флексурно-разломная зона, сопровождающаяся повышенным числом трещин
[2]. Зоны повышенной трещиноватости пород образуются не только вблизи плоскости сместителя, а в широкой полосе вокруг них. На поверхности Земли степень активности тектонических
зон определяется, главным образом, выраженностью в современном рельефе [1]. Тектонические движения формируют толщу новейших отложений и морфологию рельефа. Над активными разломами фундамента в перекрывающих отложениях формируются связанные с ними приповерхностные разрывные нарушения, которые относятся к структурам вторичного структурообразования. Активные глубинные разломы развиваются до современной эпохи и участвуют в различных геологических процессах [1], [4]. Чаще всего изучают влияние разломов на изменения высотных отметок рельефа, гидросети, мощности новейших отложений, газовыделение [2], [4].
Так, например, установлено, что в целом современные тектонические движения в Донбассе почти повсеместно выражены поднятиями, возрастание которых с юга на север составляет около 6,9 мм/год. Наибольшие скорости современных движений приурочены к зоне мелкой складчатости в западной ее части. Более слабые поднятия отмечаются на участках Кальмиус-Торецкой и Бахмутской котловин. В западной части Главной антиклинали, на участках Дружковско-Константиновской брахиантиклинали современны исследования установили понижения со скоростью 3,7 мм/год. Существует мнение, что газоносные и выбросоопас-ные зоны в Донбассе располагаются между полосами современных поднятий и опусканий, в так называемых зонах контрастных движений [5].
Для оценки активности разломов разработан формализованный подход, основанный на экспертных баллах [6]. Они присваиваются на основе анализа различных данных - геоморфологических, геофизических, структурно-геологических, и др., что дает возможность применять метод на площадях различных масштабов. При этом в зависимости от масштаба исследований можно выбирать те признаки, которые наиболее проявлены в пределах изучаемой площади.
Установлена общая тенденция, чем больше протяженность дизъюнктива, тем больше его зона влияния и активность [7]. За каждый признак, установленный в зоне влияния разлома, статистически равной 10 % от его длины, насчитываются баллы, выведенные эмпирическим путем при изучении эталонной площади.
Результаты исследования и их обсуждение
Оценка геодинамической активности тектонических зон проведена нами на поле шахты «Калиновская-Восточная». Оно расположено в Калиновской антиклинальной складке, занимая её сводовую часть, южное и часть северного крыльев с переходом в Макеевскую синклинальную складку. Падение пород в северном направлении под углом 10°. Общее простирание пород с юго-запада на северо-восток нарушается значительным количеством дизъюнктивных нарушений, влияющих на газоносность пород [8], [9].
Несмотря на сложность тектонического строения шахтного поля, его геологический разрез достаточно выдержанный. Породы средней свиты карбона, представленные углями, аргиллитами, известняками и песчаниками, перекрыты четвертичными отложениями небольшой мощности: от 0 м до 30 м, в среднем составляя 12,3 м. Угольные пласты чаще залегают среди аргиллитов и алевролитов, реже в песчаниках (т44, т2, А74, А42н), и под известняками (т7, ¡4, Ьв, £бв, Аз1). На описываемой площади породы карбона несогласно перекрываются кайнозойскими отложениями. В речных долинах, балках и оврагах обнажаются породы карбона. Под четвертичные отложения выходят несколько угольных пластов (т2-т5, ¡б-1в), пласт известняка Кг, а также вмещающие их песча-но-глинистые отложения, представленные аргиллитами, алевролитами, песчаниками, гравелитами.
Поверхность поля шахты Калиновская-Восточная холмистая: диапазон изменения отметок устьев скважин меняется от 157,1 м до 232,8 м. Наиболее низкая отметка приурочена к устью реки Калиновая. Низкими отметками рельефа характеризуются также балки: Калиновая, Мокрая Калиновая, Игнатова. Интенсивность тектонических движений по разломам можно оценить перепадами отметок рельефа, мощностью отдельных стратиграфических горизонтов пород. Для этого по отметкам устьев разведочных скважин поля шахты Калиновская-Восточная была построена карта рельефа поверхности (рис. 1).
Юго-западная часть шахтного поля имеет пониженные отметки рельефа. Минимальная отметка (скважина 2364) составила 157,1 м и характеризуется расположением здесь речки Калино-
вая. Северо-восточная часть поля имеет повышенные отметки рельефа.
1 - изолинии рельефа; 2 - изогипсы сместителя разрыва; 3 - устья скважин; 4 - № линии разреза
Рис. 1 - Изогипсы рельефа с основными тектоническими нарушениями поля шахты Калиновская-Восточная
Максимальная отметка рельефа (профиль УН-УН', скважина 3042) составила 232,8 м. Характерны выходы крупных нарушений на поверхность. На шахтном поле интенсивно проявлена тектоника: в юго-восточной части участка протягивается Итальянский надвиг, в центральной - Западный взброс, в северо-западной части - узел пересечения надвигов Тимошенко и Французского. Как установлено предыдущими исследователями Донбасса, активные разломы проявляются в рельефе поднятиями [5]. На построенной карте рельефа шахтного поля наиболее проявлены надвиги Французский, Тимошенко и Первомайский. Пониженные отметки рельефа характеризуют положение балок: Калиновой (190,8, скв. МС-61), Мокрая Калиновая (189,8, скв. МС-67), Игнатова (175,4, скв. МС-55).
Итальянский надвиг в рельефе выражен наиболее значительными перепадами отметок устьев скважин. Наиболее низкие отметки приурочены к устью реки Калиновая и балки Калиновая. Имея небольшой угол падения сместителя (25°) с северо-востока на юго-запад, изменчивую амплитуду и простирание, это нарушение тянется через всё шахтное поле, начиная с первого профиля на юго-западе и до седьмого - на северо-востоке, захватывая соседние поля шахт им. В. И. Ленина, «Пролетарская-Глубокая», им. А.Б. Батова, «Октябрьская». На западе поля шахты «Калинов-ская-Восточная» надвиг установлен в скважинах на глубинах свыше 1000 метров, далее на восток поднимается до глубины 500 м с выходом на поверхность в скважинах VII профиля. Протяжённость надвига в пределах шахтного поля составляет 5 км, а глубина нарушения угленосной толщи - от поверхности и до отметки - 14б7 м.
Наиболее низкая часть рельефа шахтного поля образована совместно Итальянским и Калиновским надвигами. Калиновский надвиг берет начало на северо-западе изучаемой площади, на поле шахты им. Батова. На поле шахты «Калиновская-Восточная» надвиг установлен в пределах южного крыла Калиновской антиклинали. Максимальное значение амплитуды (91 м) установлено горными работами в северо-западной части шахтного поля при пересечении с Калиновским сбросом. К юго-востоку амплитуда резко уменьшается и между разведочными линиями 111-1111-1У-1У1
отмечено затухание надвига, что подтверждено горными работами по пластам /8 и /7.
Первомайский надвиг получил основное развитие к северо-востоку от поля шахты «Калиновская-Восточная». Амплитуда надвига резко уменьшается с глубиной и с запада на восток от 540-586 м до 110-177 м. На северо-восточном участке изучаемой площади его амплитуда составляет 120 метров. В рельефе северозападной части шахтного поля Первомайский надвиг выражен стабильными отметками от +205 до +222 м. Здесь, по данным горных работ, он представлен серией плоскостей смещения, в следствии чего зона дробления достигает несколько сот метров. Влияние разломов на угольную толщу хорошо видно на разрезах (рис. 2, 3). На участке пересечения крупных надвигов (рис. 2) Тимошенко, Французского, Первомайского выходят на поверхность все маркирующие известняки, угольные пласты, начиная от m3 до /11 и большая часть второстепенных надвигов. Этот участок представляет собой наиболее эродированную часть угленосной толщи с минимальной мощностью кайнозойских отложений.
При слиянии Французского надвига с надвигом Тимошенко по документации керна скважин установлена наибольшая амплитуда и мощность зоны дробления пород (около 120 метров) с наличием хорошо выраженных зеркал скольжения. На рисунке 3 (разрез II-II1) хорошо видно, что Итальянский надвиг пересекает на полную мощность всю угленосную толщу. Мощность зоны дробления, установленная как по скважинам, так и горными работами, меняется в широком диапазоне, начиная от 7 до 150 метров, в среднем 40 метров. Калиновский надвиг показан в крайней правой части рисунка, а структурно он расположен на южном крыле Калиновской антиклинали, определяя значительную амплитуду сдвига пластов. Промежуточный надвиг основное развитие получил на поле соседней шахты №13бис, в юго-восточной части которого он выходит поверхность. На севере он примыкает к Французскому надвигу, на юго-западе - к Итальянскому. Разведочными и горными работами на поле шахты «Калиновская-Восточная» было установлено 22 разлома, большая часть из которых являются «ветвями» этих крупных надвигов или прилегают к ним. С большой степенью вероятности, они были образова-
ны в процессе вторичного структурообразования. В этом случае считается, что они являются результатом воздействия того же поля напряжений, которое сформировало крупный разлом [9]. Для Донбасса по данным ГСЗ установлен единый глубинный разлом - Южно-Донецкий, который был основой для появления группы разломов, участвующих в строении верхнего структурного этажа [10].
Сравнительная оценка активности крупных тектонических разломов поля шахты «Калиновская-Восточная» была выполнена по результатам разведочных и горных работ поля шахты «Кали-новская-Восточная». Все признаки геодинамической активности разломов разделены на прямые и косвенные. При этом значения баллов за прямые признаки превышают значения косвенных признаков геодинамической активности [8]. Значимость признака и, соответственно, баллы за него определялись в сопоставлении с другими характеристиками разломов. Поскольку сравнение разломов выполняется в пределах шахтного поля, то «эталоном» для расчёта баллов по каждому показателю служило его минимальное значение среди оцениваемых разломов. Вначале все разломы были оценены по косвенным признакам (табл. 1). Все они являются морфометрическими характеристиками разломов, отражающих их ранг по глубинности, протяжённости и воздействию на окружающие слои пород в пределах шахтного поля. При анализе результатов исследования учитывались известные характеристики разломов в прделах всего Донецко-Макеевского района.
По длине и глубине разлому присваивался 1 балл за каждые 1000 метров. Мощность зоны дробления и амплитуда смещения оценивались в 1 балл за каждые 100 метров. Суммарный балл за все косвенные признаки показан в последнем столбце таблицы 1.
По рекомендациям авторов методики [8], высокие баллы присвоены всем прямым признакам, приведенным в таблице 2. Максимальный балл 7 присвоен двум прямым признакам - наличию борозд скольжения и газовыделений. Расчёт баллов для каждого разлома вычислен с учётом числа скважин, в которых установлен этот признак. При отсутствии кайнозойских отложений на участке выхода разлома на поверхность добавлялось 7 баллов, а далее, с увеличением мощности снималось по 1 баллу за каждые
10 метров. К прямым отнесён и геоморфологический признак -проявление разлома в рельефе. Начиная от средней отметки рельефа оцениваемой площади (+205,9 м), назначалось 7 баллов за каждые 10 метров превышения. Суммарный балл за все прямые признаки геодинамической активности разлома показан в последнем столбце таблицы 2.
Таблица 1 - Косвенные признаки активности разломов
Название разлома Длина, м Мощность зоны дробления, м Амплитуда смещения, м Глубина нарушения, м Балл
Французский 6000 120 165 706 9,6
Тимошенко 4800 80 180 268 7,7
Итальянский 5500 40 60 1457 8,0
Калиновский 3600 30 35 430 4,7
Первомайский 3500 150 250 1358 8,9
Промежуточный 3500 30 25 134 4,2
Диагональный 2200 55 75 390 3,9
Каменский 1600 130 15 811 3,9
Таблица 2 - Прямые признаки активности разломов
Наименование надвига Наличие борозд скольжения Наличие газирующих скважин Мощность кайнозойских отложений, м Средняя отметка рельефа, м Баллы
Французский 1 1 0 + 223 35,3
Тимошенко 1 1 0 +215 31,5
Итальянский 1 3 10 +220 44,5
Калиновский 1 1 30 +200 19
Первомайский 0 0 10 +222 20
Диагональный 1 1 55 +214 14
Каменский 0 0 0 +193 7
Промежуточный 0 0 30 +212 11
Исходя из полученных баллов (см. табл 1, 2) можно выстроить ряд геодинамической активности разломов шахтного поля (табл. 3).
Таблица 3 - Оценка геодинамической активности разломов на поле шахты «Калиновская-Восточная»
Название разлома Суммарный балл по прямым признакам Суммарный балл по косвенным признакам Всего баллов
Итальянский 44,5 8,0 52,5
Французский 35,3 9,6 44,9
Тимошенко 31,5 7,7 39,2
Первомайский 20 8,9 28,9
Калиновский 19 4,7 23,7
Диагональный 14 4,2 18,2
Промежуточный 11 3,9 14,9
Каменский 7 3,9 10,9
В результате оценки наиболее активным разломом на поле шахты «Калиновская-Восточная» является Итальянский разлом, который имеет максимальный суммарный балл, подтверждающий его проявление по всем признакам. Следующим в этом ряду геодинамической активности является Французский разлом и надвиг Тимошенко. Все остальные разломы в пределах шахтного поля значительно ниже по активности.
Заключение
Таким образом, для шахтного поля разработан комплекс признаков геодинамической активности разломов, их значимость в баллах. Соотношение баллов по каждому признаку было неоднократно проверено по результатам установленного по литературным данным и результатам горных работ на изучаемом участке. Высокий балл прямых признаков - выраженность в рельефе, наличие борозд скольжения и газопроявлений по скважинам отражает современную активность разломов. С ними непосредственно связан такой косвенный признак геодинамической активности как мощность зоны дробления. Остальные косвенные признаки - длина, глубина, амплитуда смещения и протяжённость разлома характеризуют ранг и глубинность разлома, отражая связь с планетарными факторами. Полученная по суммарному баллу признаков оценка геодинамической активности разломов поля шахты «Калиновская-Восточная» в значительной степени обеспечена более высоким баллом прямых признаков. В
этом отношении Первомайский надвиг, имея максимальное значение амплитуды смещения и мощности зоны дробления среди рассмотренных разломов, оценён низким суммарным баллом. Это объясняется тем, что он лишь ограниченно распространён на поле шахты «Калиновская-Восточная» в крайней северо-западной части.
Установленная нами высокая геодинамическая активность Итальянского разлома подтверждается его морфометрическими характеристиками - максимальной глубиной распространения, значительной протяжённостью в пределах изученного шахтного поля и наличием трёх длительных газопроявлений по скважинам. Высокая геодинамическая активность Французского разлома и надвига Тимошенко подтверждается не только высоким баллом в нашем исследовании, но и ранее опубликованными данными, которые установили контрастные аномалии радона, углекислого газа и метана интенсивность которых была максимальной в узле их пересечения [11].
Поскольку структурный контроль скоплений газа был ранее установлен для всего Донецко-Макеевского района [12], то разработанная методика может быть использована для оценки геодинамической активности разломов на остальных шахтных полях с целью прогноза газообильности и выбросоопасности горных выработок. Крупные флексуры считаются структурными ловушками газа мезорегионального уровня, а зоны трещиноватости, приуроченные к разломам в пределах этих структур, являются структурно-тектоническими ловушками газа регионального уровня. Наличие газовыделений в разведочных скважинах и горных выработках являются основным признаком геодинамической активности разломов.
Исследования проведены в рамках выполнения фундаментальной научно-исследовательской работы БЯ8Я 2023-0007 «Разработка геолого-геофизической модели формирования аномальных скоплений метана на угольных шахтах в зонах динамического влияния разломов».
ЛИТЕРАТУРА
1. Корчуганова, Н. И. Новейшая тектоника с основами современной геодинамики. Методическое руководство. - М.: Геокарт, ГЕОС, 2007. - 35 с.
2. Трифонов, В. Г Изучение и картирование активных разломов. Сейсмичность и сейсмическое районирование Северной Евразии / Трифонов В. Г., Кожурин А. И., Лукина Н. В. - Т. 1. -М.: ОИФЗ РАН, 1993. - С. 196-206.
3. Шамаев, В. В. О природе формирования деформационных структур в массиве горных пород и их связи с аномальными геодинамическими явлениями / Шамаев В. В., Рязан-цев Н. А. // Физика и техника высоких давлений. - 1990. -Вып. 34. - С. 46-55.
4. Комплексные геолого-геофизические исследования активных разломов в Сочи-Краснополянском районе / Овсючен-ко А. Н., Хилько А. В., Шварев С. В. и др. - ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2013 - № 6. - С. 116-138.
5. Донбасс (геофизика, глубинные процессы) / Гордиен-ко В. В., Гордиенко И. В., Завгородняя О. В., Логвинов И. М., Тарасов В. Н. - Киев: Логос, 2015. - 123 с.
6. Лунина, О. В. Формализованная оценка степени активности разломов в плиоцен-четвертичное время / Лунина О. В. // Геология и Геофизика. - 2010. - Т. 51. - № 4. - С. 525-539.
7. Ружич, В. В. Зависимость между параметрами разрывных нарушений и их практическое применение / Ружич В. В. // Механизмы формирования тектонических структур Восточной Сибири. - Новосибирск: Наука, 1977. - С. 41-48.
8. Волкова, Т. П., Влияние структурно-тектонического фактора на газоносность угольных пластов Донбасса / Волкова Т. П., Репина К. В., Петрова А. А. // Труды РАНИМИ: сб. науч. тр. -Донецк, 2023. - № 22 (37). - С. 164-173.
9. Волкова, Т. П. Оценка локальных факторов газоносности на поле шахты Калиновская-Восточная / Волкова Т. П., Репина К. В. // Труды РАНИМИ: сб. науч. тр. - Донецк, 2023. -№ 23 (38). - С. 137-148.
10. Корчемагин, В. А. Глубинные структуры южной части Донбасса и их роль в размещении скоплений углеводородов / Корчемагин В. А., Павлов И. О., Никитенко А. В. // Геотехническая механика. - Дншро: 1ГТМ НАНУ. - 2012. - № 102. -С. 81- 88.
11. Алёхин, В. И. Разломы земной коры как зоны экологического риска / В. И. Алехин // Науковi пращ ДонНТУ. - Серiя «Прничо-геолопчна». - 2004. - Вып. 81. - С. 35-40.
12. Корчемагин, В. А. Структурно-тектонофизическая позиция скоплений метана в угленосных отложениях Донецко-Макеевского района / Корчемагин В. А., Павлов И. О., Никитенко А. В. // Науковi пращ ДонНТУ. - Серiя «Прничо-геолопчна». - Вип.13 (178). - 2011. - С. 25-30.
Волкова Татьяна Петровна, доктор геолого-минералогических наук, заведующий геологическим отделом, ФГБНУ «РАНИМИ», Россия, ДНР, Донецк, e-mail: [email protected].
Репина Ксения Владимировна, младший научный сотрудник геологического отдела, ФГБНУ «РАНИМИ», Россия, ДНР, Донецк, e-mail: [email protected].
Петрова Алена Александровна, геолог II категории геологического отдела, ФГБНУ «РАНИМИ», Россия, ДНР, Донецк,
e-mail: [email protected].
ASSESSMENT OF GEODYNAMIC ACTIVITY OF FAULTS IN THE KALINOVSKAYA-EAST MINE FIELD
The methodology has been developed for quantifying the geodynamic activity of faults within the mine field. It is based on the analysis of structural-geological, geomorphological and geodynamic features. The points assigned for each feature are justified. The assessment of the geodynamic activity offaults based on a set of characteristics was carried out on the field of the Kalinovskaya-Vostochnaya mine.
Key words: fault, folds, relief, holes, points, assessment.
Volkova Tatyana Petrovna, Doctor of Geological and Mineralogical Sciences, Chief of Geology Department, RANIMI, e-mail: [email protected].
Repina Ksenia Vladimirovna, Acting Junior Staff Scientist of the Geological Department, RANIMI, e-mail: [email protected].
Petrova Alena Alexandrovna, Geologist of II categories of the Geological Department, RANIMI, e-mail: [email protected].
