CC BY
13
© Н И. Синкевич, 2013
УДК 622.83 Н.И. Синкевич
ВЛИЯНИЕ СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ НА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ЖЕЛЕЗОРУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ В ГЕОДИНАМИЧЕСКИ ОПАСНОМ РЕГИОНЕ
Анализ данных исследований по распределению землетрясений в геодинамически опасном регионе показал, что тектонические силы1 создают в массивах на железорудных месторождениях неоднородное поле напряжений, которое предрасположено к проявлению не только горного давления, но и техногенных и природных землетрясений под влиянием солнечной активности.
Ключевые слова: горные породы, землетрясения, фон тектонических пульсирующих напряжений, солнечная активность, геодинамически опасный регион, тектоническое поле напряжений.
Ллтае-Саянская складчатая область является геодинамически опасным регионом, где происходят геодинамические процессы, протекающие во внешней оболочке земной коры, сложенной горными породами, с участием в них силовых (энергетических) полей. Изменение геодинамической обстановки на месторождениях определяется главным образом взаимодействием двух полей напряжений: природного, существовавшего в массиве до ведения горных работ, и техногенного, создаваемого инженерной деятельностью человека в процессе разработки месторождений в динамически активных районах: Кондомском (Горная Шория) и Абаканском (Западный Саян).
В структурно-геологическом отношении Горная Шория - нижнепалеозойская складчатая область, являющаяся частью обширной нижнепалеозойской геосинклинали, сложенной в основном нижнепалеозойскими и докембрийскими толщами.
Только со стороны Кузнецкой и Минусинской котловин, а также Горного Алтая сюда распространяются в незначительных масштабах отложения девона и частью юры. Разновозрастные структурные элементы в пределах Горной Шории и Западного Саяна имеют преимущественно северо-восточное простирание. На юго-востоке Горной Шории находится Кондомский железорудный район, вытянутый в субмеридиональном направлении [1].
Наиболее древние породы Кон-домского железорудного района -карбонатные отложения протерозоя, которые слагают с востока и запада крупные - Шорский и Бийский - массивы, являющиеся рамой крупной Кондомской грабен-синклинали, которая входит в состав глубинного Ал-тае-Кузнецкого разлома. Наиболее крупными долгоживущими являются два, близко параллельных разлома, оконтуривающих подвижную зону с востока и запада. Так, западным разломом в долине р. Шалым рассекают-
ся песчано-глинистые отложения ордовика, в которые подняты клинья пород глубоко метаморфизованного нижнего кембрия. Вдоль этого разлома наблюдаются как синклинальные, так и грабен-синклинальные структуры с тектоническими клиньями выпирания и затягивания, проходящие вдоль восточной границы срединного Бийского выступа кристаллического фундамента, сложенного археем и протерозоем. Разлом представляет собой не простую линейную структуру, а тектоническую зону сложно дифференцированного тектонического движения.
В общей региональной структуре глубинного Алтае-Кузнецкого разлома восточный разлом, ограничивающий Кондомский железорудный район, является как бы срединным, так как восточнее его вдоль западной границы Шорского срединного массива проходит еще серия разломов, отделяющих от древней синийской толщи пород мощную тектоническую подвижную зону, сложенную более молодыми отложениями.
Западный Саян - это сильно расчлененный горный массив, имеющий три блоковых структуры: СевероСаянскую, Центрально-Саянскую и Куртушибинскую. Абаканский железорудный район расположен в Севе-ро-Саянской зоне, охватывающей северный склон Западных Саян. В строении зоны участвуют кембрийские эффузивно-осадочные толщи, непосредственно контактирующие с девонскими отложениями Минусинской котловины [2].
В тектоническом отношении кембрийские породы района претерпели сложную историю. Они испытали интенсивные послойные перемещения с образованием мелких флексурных складок, подворотов и срывов. В
районе выявлено много крупных тектонических нарушений, одни из которых близко параллельны общему около меридиональному простиранию пород и отделяют разные свиты друг от друга. Другие имеют СВ и СЗ простирание и благодаря дизъюнктивным перемещениям расчленяют породы толщи на многочисленные блоки. На северо-востоке района проходит, по-видимому, самая крупно амплитудная тектоническая зона, отделяющая породы девона от кембрия.
Структурно-геологические особенности двух близлежащих железорудных районов состоят в различном характере развития региональной тектоники и влияния техногенного воздействия на геодинамический процесс. Главные нормальные напряжения в нетронутом массиве горных пород, возникшие под влиянием тектонических нарушений, оказывают влияние на чистоту, интенсивность проявления геодинамических явлений и изменяются с периодичностью 11 лет, совпадающей с циклом солнечной активности (СА) [3, 4].
Геодинамические явления относятся к современным тектоническим движениям и проявляются в виде землетрясений различной частоты и интенсивности энергетического класса. Ниже приведены данные каталога сейсмических событий в геодинами-чески опасном регионе Алтае-Саянской складчатой области [5]. Он содержит данные о 1754 событиях за период с 1990 по 1995 гг. в районе Западных Саян на территории 51— 54° с.ш., 88—94° в.д., из которых 1452 идентифицированы как промышленные взрывы, 302 - землетрясения по энергетическому классу К>5 (табл. 1).
Таблица 1
Распределение землетрясений в районе Западных Саян по времени суток
Время суток Количество землетрясений по годам
1990 1991 1992 1993 1994 1995
00—01 3 1 1 2 2 4
01—02 2 1 1 1 2 2
02—03 3 1 4 2 -2 -2
03—04 4 4 1 1 1 2
04—05 3 1 3 2 2 1
05—06 1 2 1 2 1 1
06—07 1 4 -2 2 3 2
07—08 1 -4 3 2 1 2
08—09 -2 1 -1 2 -1 2
09—10 1 4 3 2 1 2
10—11 -2 4 -2 1 2 1
11—12 2 3 2 1 -2 2
12—13 3 4 5 1 3 -2
13—14 9 5 2 4 1 -1
14—15 1 7 -5 2 4 -1
15—16 4 2 2 3 1 -1
16—17 6 7 5 -2 6 2
17—18 1 1 -7 2 1 1
18—19 10 3 1 3
19—20 4 3 3 5
20—21 1 6 -1
21—22 4 3 —
22—23
23—24
Итого: 68 71 50 38 44 31
Как видно из табл. 1, распределение землетрясений по времени суток в вечерние и ночные (с 20.00 до 7.00), утренние и дневные часы (с 8.00 до 19.00) в течение года происходит примерно равномерно. В 1990-е годы максимума солнечной активности напряжения минимальны и геодинамические явления минимум - 31 событие в утренние и дневные часы, а вечерние и ночные составило 37. С 1991 по 1995 годы - спада СА напряжения тектонической природы растут, а число геодинамических явлений со средней энергетикой увеличивается: в 1991 году в утренние и дневные часы произошло 41 событие, а вечерние и ночные - 30; а в
1992 году в утренние и дневные часы произошло 20 явлений, а вечерние и ночные 30 событий. 1993 году произошло чередование в утренние и дневные часы 21 событие, в вечернее и ночное 17; а в 1994 и 1995 годы не происходило этой смены периодичности во времени суток, в утренние и дневные часы составило 18 и 14 явлений, вечерние и ночные - 26 и 17.
Временная привязка землетрясений в районе Западных Саян к изменению СА (характеризуется числом Вольфа Ш) показана на рис. 1.
Как видно из рис. 1, в годы максимума и спада 22 периода СА землетрясения описываются тремя кривыми
Рис. 1. Распределение землетрясений по времени суток за весь период наблюдений (1), в утренние и дневные часы (2), вечерние и ночные (3)
пикообразного характера. Одна приведенная зависимость характеризует распределение землетрясений по времени суток за весь период наблюдений (1990-1995 гг.) в районе Западных Саян, а две других за период наблюдений в утренние и дневные часы, вечерние и ночные, происходящих
землетрясений в зоне изменяющегося напряженного состояния. Нетрудно заметить согласованность в характере этих пикообразных кривых, ежегодно отличающихся примерно на одно и тоже число явлений. Это число необходимо считать фоном тектонической пульсирующей составляющей, который возникает от воздействия структурно-геологических и горнотехнических факторов, в том числе и в зоне изменяющегося напряженного состояния, и постоянно сохраняется. Кривые пересекаются, заштрихованная часть на графике показывает периоды изменения СА влияющей на горный массив при разрушении тектоническими пульсирующими напряжениями. Длительность воздействия периода тектонических пульсирующих напряжений зависит от увеличения
Таблица 2
Результаты испытания образпов основных пород Абаканского железорудного месторождения
Место отбора проб Тип горной Коэффипиент Коэффициенты
породы пластичности удароопасности
Кпл К1 К2
гор. +145 м Агломератовые 1.09 0.92 0.10
(Н=420 м), орт 4 туфы
гор. +65 м, руддвор Туфопесчаники 1.13 0.88 0.14
отв. «Главный» (Н=500 м)
гор. -15 м, ствол «Глав- Туфопесчаники 1.12 0.90 0.22
ный» (Н=580 м)
отм. -85 м, ствол «Глав- Туфопесчаники 1.01 0.99 0.17
ный» (Н=650 м)
отм. от устья ствола Грано-диориты 1.07 0.94 0.14
«Клетевой» (Н=172м)
отм. -70 м, ствол «Возду- Туфоконгломераты 1.06 0.96 0.19
ховыдающий» (Н=635м)
отм. -120 м, ствол «Воз- Туфопесчаники 1.01 0.98 0.12
духовыщающий» (Н=685м)
отм. -194 м, ствол «Воз- Граниты 1.27 0.82 0.16
духовыщающий» (Н=759м)
Таблица 3
Распределение землетрясений в районе Кондом-ской группыI месторождений по времени суток
Время
Количество землетрясений по годам
суток 1990 1991 1992
00-01 1 -1 -2
01-02 2 —1 -1
02-03 5 —2 1
03-04 2 -1 —1
04-05 1 1 —1
05-06 2 -1 1
06-07 3 —3 -1
07-08 2 -1 -1
08-09 4 -1 2
09-10 2 1 1
10-11 2 3 1
11-12 3 2 3
12-13 3 3 1
13-14 1 —-
14-15 3
15-16 5
16-17 2
17-18 2
18-19 2
19-20 1
20-21 -3
21-22 1
22-23 1
23-24
Итого: 53 21 17
-1 -1 1 2 2 4 -2 —-1 1 4 1 2 -1 -1 4 2
30
1
—1 2 —-1 -1 —1 -2 1
—1
-1
—1 1
1
—-1 2
11
амплитуды колебаний СА и снижения пластических свойств горных пород.
На Абаканском железорудном месторождении в условиях горизонтального сжатия горные породы деформируются, что говорит об их склонности к геодинамическим проявлениям. Склонность пород к деформированию и разрушению как в допредельных, так и запредельных зонах показывает, что деформационные процессы в массиве характеризуются большим разнообразием видов напряженных состояний за счет зернистости и степени раскристаллизован-ности ячеистой структуры, при которых возможно хрупкое разрушение этих пород, и определяются коэффициентами удароопасности. Коэффициенты удароопасности в допредель-
ной К1 и в запредельной зонах К2, определенные в лабораторных условиях различных типов пород по категориям ударо-опасности приведены в табл. 2.
Если при этом в горной породе нет никаких внутренних условий для пластических деформаций, могущих поглотить часть потенциальной энергии, то мгновенное нарушение равновесия неизбежно приведет к интенсивному разрушению по предельным коэффициентам хрупкости степени удароопас-ности для туфопесчаников К1=0.98, К2=0.12 и пластичности Кпл=1.01; туфо-конгломератов, К1=0.96, К2=0.19 и Кпл=1.06; гра-но-диоритов - К1=0.94, К2=0.14 и К™=1.07.
Обобщение фактических данных Таштаголь-ской сейсмостанции о геодинамических проявлениях как при вскрытии, так и при выемке месторождений Горной Шории за последние 40 лет показывает, что наиболее удароопас-ным является Таштагольское, на котором зарегистрировано более 10 тыс. динамических событий, а в граничащем массиве Кочуринского месторождения за 20 лет — 1200 землетрясений [6]. За период с 1990 по 1995 годы - 139 по энергетическому классу К<7,8 (табл. 3).
Из табл. 3 видно, что распределение землетрясений по энергетическому классу меньшей энергетики происходит равномерно, как и для класса К>5 и согласуется с законом повторяемости землетрясений, в соответствии с которыми с увеличением энер-
7
Рис. 2. Распределение землетрясений за период наблюдений с 1990 по 1995 гг. в районе Кочурин-ского сиенитового массива
гетического класса на единицу число землетрясений уменьшается [7]. В 1990-е годы максимума солнечной активности геодинамические явления минимальны - 31 событие в утренние и дневные часы, а вечерние и ночные - 22 явления. Два первых года с 1991 по 1992 годы - спада СА число геодинамических явлений средней энергии увеличивается в утренние и дневные часы составило - по 9 явлений каждый год, а вечерние и ночные -12 и 8; а в 1993 году произошло равновесие землетрясений как в утренние и дневные часы, так в вечерние и ночные по 15 событий. В дальнейшие 1994 и 1995 годы спада 22 периода СА не происходило этой смены периодичности во времени суток в утренние и дневные часы составило 6 и 3 явлений, вечерние и ночные - 5 и 4.
Такое распределение землетрясений в районе Кочуринского сиенитового массива площадью 0,9 км2, находящегося в юго-западной части Кондомского района, по времени суток подтверждается следствием прилегания его к формирующемуся Се-веро-Таштагольскому подвижному
разлому глубинного залегания, который создает зону повышенных напряжений (при Н= = 1046 м, ста = -290 МПа, азимут А = 356°, ст2 = -165 МПа) под влиянием техногенных воздействий соседнего Таштагольского железорудного месторождения на массив с глубиной, что и подтверждается временной диаграммой геодинамических проявлений при изменении СА (рис. 2).
При сравнении рис. 2 с 1 увидим характерную отличительную особенность, что в годы максимума и спада 22 периода СА землетрясения описываются тремя подобными кривыми, но при этом изменено местоположение двух кривых за период наблюдений в утренние и дневные часы, вечерние и ночные. Из рис. 1 видно, что в районе Западных Саян за период наблюдений 1990 года произошло количественное перераспределение происходящих землетрясений по энергетическому классу К>5 в зоне изменяющегося напряженного состояния в вечерние и ночные часы, утренние и дневные. За весь период наблюдений с 1990 по 1995 годы эти кривые будут пересекаться, между точками пересечения будет создаваться фон тектонических пульсирующих напряжений, который воздействует на горный массив при его разрушении.
По данным натурных исследований напряженно-деформированного состояния массива пород при вскрытии железорудных месторождений, проведенных автором с помощью комплекса методов, главные нормальные компоненты тектонического поля напряжений опасных по геодинами-
Таблица 4
Результат испытания образцов основных пород Таюптагольского железорудного месторождения
Место отбора проб Тип горной породы Коэффициент пластичности Кпл Коэффициенты удароопасности
Кх К2
гор. +70м, юго-восточный Сланцы 1.14 0.87 0.11
штрек (Н=480м)
гор. +0м, разведочный Туфы 1.09 0.93 0.15
штрек (Н=550м) Туффиты 1.08 0.93 0.20
гор. -70м, камера разда- Сланцы полевошпат- 1.06 0.93 0.11
чи ВВ (Н=620м) серицит хлоритовые
гор. -350 м, район ство- Сланцы полевошпатсе- 1.07 0.93 0.10
ла «Сибиряк» (Н=900м) рицит хлоритовые
Известняки 1.09 0.93 0.07
гор. -280 м, орт №25 Сиенит-порфир 1.04 0.96 0.13
гор. -350 м, орт №20 Скарны 1.07 0.93 0.23
гор. -280 м, (Н=830м) Диоритовый порфи- 1.09 0.92 0.07
диагональный разлом по- рит
логопадающая зона Метасоматиты 1.12 0.90 0.12
ческим явлениям, изменяются во времени с 1993 по 1994 годы, а фон тектонических пульсирующих напряжений может незначительно мигрировать в пространстве и показывать: Абаканского - вертикальным стволом «Клетевой» пульсирующие напряжения равны -7,5 МПа, а на Таштаголь-ском в районе ствола «Сибиряк» новая промплощадка -8,6 МПа.
На рис. 2 видно, что распределение землетрясений за выше указанный период наблюдений в районе Кочуринского сиенитового массива в годы максимума и спада СА произошли землетрясения с энергетическим классом К<7,8 и описываются также тремя кривыми, при этом создавая фон тектонических пульсирующих напряжений. Зависимости двух кривых пересекаются, и после пересечения в 1993 году сходятся в точку равновесия землетрясений как в утренние и дневные часы, так в вечерние и ночные, затем в той же последовательности расходятся. Такая периодичность может быть для землетрясений с меньшим энергетиче-
ским классом и возникнуть из-за выше сказанных факторов воздействия структурно-геологических и горнотехнических. Создаваемый фон происходящих землетрясений в зонах изменяющегося напряженного состояния в районе Западных Саян в 1,8-2.0 раза выше, чем в районе Ко-чуринского сиенитового массива. Близлежащим ему является Ташта-гольский сиенитовый массив, распложенный в южной части Кондом-ского района, занимающий площадь 0,75 км2 при максимальной длине 2,0 км. Он вытянут в СЗ направлении согласно с простиранием пород эффузивно-осадочной толщи. Северное окончание его имеет акмоли-топодобное строение. К этому контакту сиенитов с породами эффузив-но-осадочной толщи и приурочено Таштагольское железорудное месторождение, которое вскрыто на глубину 1050 м, очистная выемка проводится на 800-900 м и отнесено к опасным по горным ударам.
Горные породы Кочуринского массива близки к породам Таштагольского
массива по структурно-геологическим признакам и состоят в существенной неравномерности геодинамических явлений и землетрясений по времени суток года, о чем свидетельствует статистика землетрясений и динамических явлений на руднике (табл. 4).
В табл. 4, автор использовал коэффициент пластичности, который указывал на качественную картину перехода хрупких пород в пластическое состояние. В упруго-пластичных породах, при прилагаемой нагрузке коэффициенты удароопасности возрастают, при этом вначале происходят упругие деформации, а затем пластические, завершающиеся мгновенным разрушением породы. А в упруго-хрупких породах эти коэффициенты уменьшаются, при прилагаемой нагрузке происходят только упругие деформации, завершающиеся мгновенным хрупким разрушением за счет изменения пластичных компонентов в горной породе.
1. Лапин С. С. Кондомский железорудный район / С.С. Лапин // Магнети-товые рудные тела, их строение и магнитные свойства. - Новосибирск.: Изд-во «Наука» АН СССР СО труды института геологии и геофизики. Выпуск 212, 1976. - С.13—19.
2. Отчет о геологоразведочных работах, проведенных на Абаканском месторождении в 1967-1977 гг. с подсчетом запасов железных руд на 1 января 1978 года. «Абаканское железорудное месторождение в Западном Саяне»: Отчет о НИР / МКЭ, рук. раб. А.Р. Левертов, Н.С. Левертова и др. -Красноярск.: Изд-во Красноярское ТГУ, Том 1. 1978. - С.29-30.
3. Зубков А.В. Влияние пульсирующей составляющей тектонических напряжений на устойчивость крепи стволов// Горный
По результатам табл. 2 и 4 установлено, что отношение коэффициентов удароопасности в допредельных К1 и запредельных К2 зонах упруго-хрупкого неоднородного массива в 1,06 + 1,12 раза больше, чем соответствующие коэффициенты в упруго-пластичном массиве, определяется соотношением максимальных и минимальных прогнозных значений коэффициентов удароопасности в диапазоне интервалов
1,06 < К1тах / КГ"1 > 1,09; 1,37 < < К2тах / К2™" < 1,81.
Эти обоснования имеют значение при изучении природы хрупкого разрушения при проявлении природных и техногенных землетрясений, как при вскрытии, так и при выемке железорудных месторождений, для прогнозирования форм проявления горного давления в массиве пород, и применения рекомендуемых профилактических мероприятий по степени удароопасности региона.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
информационно-аналитический бюллетень. — 2008. — № 5. — С. 233-237.
4. Синкевич Н.И. Влияние факторов на исходное поле напряжений в районе Абаканского железорудного месторождения // Безопасность труда в промышленности. -2011, №2. - С. 34-38.
5. Каталог сейсмических событий в районе Саяно-Шушенской ГЭС за 1990-1995 гг. / Дергачев А.А., Филина А.Г. - Новосибирск: изд-во СО РАН, ОИГГМ, 1997. 49 с.
6. Синкевич Н.И. Влияние различных факторов на деформационные свойства пород магматических массивов // Безопасность труда в промышленности. - 2010, №7. - С. 48-52.
7. Резниченко ¡О. В. Сейсмический режим и сейсмическая активность // Сейсмическое районирование территории СССР. -М.: Наука, 1980. - С. 47-58. ЕЕ
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -
Синкевич Николай Иванович- доктор технических наук, Сибирский государственный индустриальный университет, rector@sibsiu.ru
