CC BY
32
УДК 550.831
ВЛИЯНИЕ ТЕКТОНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ НА ФОРМИРОВАНИЕ ПРОТРУЗИИ УЛЬТРАБАЗИТОВ
К. В. Вапдышева, В. В. Филатов
Статья посвящена проблеме формирования гтротрузии ультрабазитов и изучению ее геологической природы. В работе сделаны попытки анализа различных факторов (структурно-тектонических, гсодина-мических и геомеханических). которые могли бы способствовать миграции мантийного вещества из низов коры по проницаемой разломной зоне к дневной поверхности. Оценены характеристики естественного пазя напряжений, причина деформирования геологической среды, природа аномального поля напряжений, рассмотрена их количественная характеристика, чтобы на ее основе можно было построить физическую и математическую модели тектонического явления и рассчитать создаваемые им напряжения.
Ключевые слова: протрузия, лнстрнчсскнй разлом, тензор напряжений.
The article deals with the problem of ultrabasitc protrusion formation and its geological nature investigation. The authors made some attempts to analyze different factors (structural-tectonic, geodynamicand geomechanical), which could contribute to migration of the mantle material from the lower part of the crust along the permeable fault zone to the surface. The characteristics of the natural magnetic field stress are evaluated, the cause of die geological environment deformation, the nature of the anomalous stress field as well; their quantitative characteristics are considered to have possibility to construct physical and mathematical models of tectonic events on its basis and calculate the stress created by them.
Key worth: protrusion, listric fault, the stress tensor.
В работе (2) описаны результаты геологической интерпретации Нижне-Тагильской аномалии в поле силы тяжести и показано, что в геологическом отношении ее источником может быть прогрузил ультрабазитов, вещество которой внедрилось из низов земной коры под действием глубинного стресса по зоне листрического разлома, служащей границей между Центрально-Уральским поднятием (ЦУГТ) и Тагильским прогибом (ТП). Но в этой работе не был дан ответ на вопрос о том. чем обусловлен стресс, какова его природа. В настоящей статье сделана попытка анализа различт>1х факторов (структурно-тектонических, геодинамических и геомеханических), которые могли бы способствовать миграции мантийного вещества из низов коры по проницаемой разломной зоне к дневной поверхности.
Начнем этот анализ с оценки характеристик естестве »того поля напряжений. Это поле по современным представлениям рассматривается как суперпозиция нормального поля, обусловленного весом пород (литостати-ческая нагрузка), и аномального или тектош-ческого. Обозначим главные значения тензора
естественного поля напряжения через Ст1, су, о., нормального - через о®, о0 , о®, тектонического-через а',, , ст'., где дг,^, г-направления главных осей напряжений, совмещенных с осями декартовой системы координат, в которой ось г направлена по линии отвеса внутрь Земли.
Главные значения тензора нормального поля напряжений в предположении, что консолидированная кора - однородное по упругим свойствам тяжелое полупространство с плоской границей раздела «воздух - земля», перпендикулярной оси г. В этом случае, как известно [8],
О О v pgh
1 —v т-1
(1)
где р - плотность пород; g - ускорение силы тяжести; /;- глубина определения напряжения; V - коэффициент Пуассона; т-чисЛО Пуассона, равное 1/у.
Некоторые исследователи (9,23 и др.] называют минимальное напряжение нормального
поля всесторонним. Это напряжение растет с глубиной (как. впрочем, и два других -максимальное и промежуточное). Растет с глубиной и температура. На глубине более 5 км она превышает 100-200 °С (12]. В таких термодинамических условиях в геологической среде начинают развиваться процессы ползучести и релаксации напряжений, особенно если время релаксации напряжений превышает 10" с, что характерно для древних структур, каковой, в частности, является уральская складчатая система. Это приводит к тому, что горные породы приобретают свойства несжимаемой жидкости, для которой коэффициент Пуассона приближается к 0.5. Тогда, как следу ет из формул ( 1 ). при v = 0.5
о _ _о _ о
т.е. в геологической среде наступает гидростатическое напряженное состояние или состояние равномерного всестороннего сжатия. при котором тензор нормального поля напряжений будет шаровым, а дифференциальные напряжения равными нулю. В этом случае среда будет находиться в равновесии, деформация будет равна нулю и. следовательно, будут отсутствовать условия для перемещения мантийного вещества из низов коры в вертикальном направлении к дневной поверхности. По оценкам работ [7, 10 и др.], гидростатическое напряженное состояние устанавливается в консолидированной коре на глубине более 5 км. В нашем случае это соответствует глубине залегания нижней кромки протрузии [2].
Какие же причины в такой ситуации могут способствовать деформированию геологической среды и обусловливать в ней различные структурно-тектонические преобразования: разлом о- и структурообразованис. Причиной этой деформации является тектоническое пэле напряжений. Что же оно из себя представляет?
Первые инструментальные измерения характеристик этого поля были выполнены на рудниках Скандинавии [22] и Кольского полуострова (19-21]. Результаты этих, а также последующих измерений показали, что в коре действуют горизонтальные напряжения сжатия, которые в несколько раз превышают вертикальные, вызываемые весом пород. Из анализа результатов измерений были сделаны следующие выводы:
- более 80 % коры испытывает горизонтальные сжимающие напряжения, интенсивностью от 20 до 170 МПа; около 5 % коры (зоны рифтов и приосевых частей срединно-океанических хребто») находится в режиме растяжения: остальная часть коры испытывает сдвиговые напряжени:«;
- все главные компоненты тензора тектонических напряжений увеличиваются с глубиной по линейному закону; в кристаллическом фундаменте, а иногда и в осадочном чехле молодых и древних платформ изменения средних горизо!гтальнь1х напряжений с глубиной описываются формулой Хаста П. (22], МПа:
I (о'г+ а\ )= 0,095/; + 9,50; (2)
- в осадочных и сильно трещиноватых породах изменения средних горизонтальных напряжений с глубиной описываются формулой Булина Н. К. (1], МПа:
1(0; + <,',)= 0.013/» +2,55; (3)
- изменения с глубиной напряжения ст'. хорошо описывается формулой (1), МПа:
о', =0.025/»; (4)
- главные значения и главные направления тешора тектонических напряжений в верхней части коры характеризуются большой изменчивостью.
Основные результаты по изучению тектонических напряжений в коре Урала описаны (4-6, 13]. Они получены при измерениях, выполненных в горных выработках различных месторождений, расположенных главным образом в Тагильском прогибе и частично в Восточно-Уральском поднятии.
Результаты измерений свидетельствуют:
- напряжения с' и о\ в 10-15 раз превосходят напряжения а? и а®; напряжения ст'. и о? примерно одинаковы:
- широтные напряжения а'я повсеместно
являются сжимающими; меридиональные о', бывают как сжимающими, так и растягивающими; на глубине впервые сотни метров
напряжения а\ и о', могутдостигать50МПа;
а
б
в
30 «¿МП»
ю м>
о. МП» _ п
10 50
о'.М1Ь
Рис. I. Корреляционные зависимости: а-с'г(2);б-а\(2) ,в-а',(г) [17)
- корреляционные зависимости а\(г),
с'у(2). о'.(г) удовлетворительно описываются линейными уравнениями регрессии [13] (рис. 1),МПа:
а\ =1 + 0.042/;. а', =0.5+ 0.025Л, а'г =0,028/;.
(5)
Какова природа аномального поля напряжений? Ответ: это тектонические явления, и процессы являются достаточно общими и неопределенными. Какие явления и процессы? Какова их количественная характеристика, чтобы на ее основе можно было построить физическую и математическую модели тектоническою явления и рассчитать создаваемые им напряжения хотя бы по формуле (1). Очень редко можно получить на эти вопросы удовлетворительные ответы. 11оэтому зависимости вида (2)-<5) и им подобные являются эмпирическими в отличие от формул (1).
Относительно природы тектоническич напряжений на Среднем Урале есть основания высказать некоторые предположения.
Еще в 40-х годах прошлого века Е. А. Кузнецов [11]. изу чая складчатые и разрывные структуры в районе Уфимского выступа, сформулировал гипотезу о том. что они образовались в результате сжатия их жесткими массивами интрузивных пород, двигающихся в широтном направлении. Силы, первоначально сформировавшие эти структуры, затем, превысив предел прочности пород, способствовали разломообразованию.
Из сопоставления ориентировок главных осей напряжений, определенных путем непосредственных измерений и анализа трещино-
вато сти пород, следует, что направления действующих в настоящее время напряжений удовлетворительно совпадают с ориентиров-кой палсонапряжсний. под действием которых образовались эти трещины и разрывы. Максимальное расхождение в ориентировках главных осей палео- и современных напряжений не превышает ±30°, что можно полагать приемлемым, чтобы считать их близкими по направлению.
Меридиональное простирание геологических структур и рудных тел многих месторождений свидетельствует, что новейшие тектонические движения не способствовали образованию на Среднем Урале новых складчатых структур. Они только вовлекли в общее поднятие древние структуры, несущественно дефирмироиав их и перемести на более высокий гипсометрический уровень [14].
Наибольшие по величине горизонтальные иагтргжения широтной ориентировки установлены в районе Уфимского выступа Русской плиты. Роль этой структуры в концентрации напряжений, как было отмечено выше, была установлена косвенно Е. Д. Кузнецовым [11] и при изучении сейсмичности Урала [3]. Позже этот вывод подтвердили результаты непосредственного измерения напряжений и физическое моделирование [13].
Концстрация сдвиговых напряжений в районе выступа способствовала развитию севернее выступа глубинных сдвиговых разрывов северо-восточного, а южнее - северозападного направления, по которым происходило и происходит смещение блоков в горизонтальном направлении. Изучение геотектоники в совокупности с результатами изучения сейсмичности и данными о характере напряжений дало основания сделать вывод о том.
что на протяжении последних 20-30 млн. лет аномальное региональное поле напряжений на Среднем Урале остается стабильным как по величине плавных значений, так и по ориентировке главных осей напряжений [3. 14].
Поскольку максимальная глубина измерения тектонических напряжений составляет около 1000 м (шахта «Естюнинская»), то возникает вопрос о том. до каких глу бин следует экстраполировать эмпирическую зависимость (5)? Прямо и однозначно ответить на этот вопрос невозможно. Косвенно, пожалуй, можно. На Среднем Урале (и не только) закар-тированы глубинные разломы сдвиговой кинематики. Результаты физического моделирования таких структур свидетельствуют, что в сдвигообразование вовлекается вся толща пород, пронизанных разломом [24, 25]. Поэтому допустимо, что силовой режим в зоне глубинного сдвига будет охватывать значительную часть коры, если не всю ее. А кроме этого в нижней части коры гидростатическое состояние может нарушаться еще одной причиной - неровностями плотностной границы.
В работах [17, 18] дано решение задачи о напряжениях, вызываемых различными формами рельефа внутрикоровых поверхностей, при переходе через которые происходит скачкообразное изменение плотности пород. Эта задача решена для модели коры в виде бесконечного упругого полупространства с плоской внешней границей, имитирующей дневную поверхность. 11олупространство состоит из двух одинаковых по величине упругих модулей плоскопараллельных слоев-верхний имеет конечную мощность, равную //, мощность нижнего-бесконечна. На подошве верхнего слоя задается скачок плотности Др. Положительная или отрицательная форма поверхности 2 = И имитируется действием асимметричной нагрузки Р, радиус действия которой равен радиусу основания формы рельефа (выпуклость) и отрицательной - при отрицательной форме рельефа (впадина). Величина средней величины нагрузки Р0 в пределах круга радиуса г. определяется по формуле
/>0ЛдряЯ, (6)
где //-максимальная высота (глубина) формы рельефа; Ар - скачок плотности.
Наибольший интерес рассмотренной в работах [ 17,18] задачи представляет случай, когда распределение нагрузки (форма рельефа) описывается параболоидом (рис. 2):
2Р0(\-а2), при 0 £ а £ I приа>1
О)
где а = г/г0.
Из анализа результатов вычисления максимального касательного напряжения
Рис. 2. Пояснение к задаче
(т^, = 1/2(о', - о',))» приведенного в работах [17, 18]. следует:
- напряжения, обусловленные различными формами рельефа плотностной границы, возникают не только ниже, но и выше поверхности 2 = /;, нарушая гидростатическое напряженное состояние;
- величина напряжений зависит от глубины нахождения неровностей плотностной границы.
А теперь рассмотрим, что из себя представляют основные плотностные границы в пределах Тагило-Кушвинского железорудного района. Их две: поверхность Мохо и кровля гранулит-базитового слоя. Положение обеих установлено по данным глубинного сейсмического зондирования (ГСЗ) [ 16] (рис. 3).
Обе границы осложнены: граница ГИохо -погружением, кровля гранулит-базитового слоя - выпуклостью. Скачок плотности при переходе через поверхность Мохо составляет 0,40 г/см5, через кровлю гранулит-базитового слоя - 0,10 г/см® [15]; глубина И до кровли гранулит-базитового слоя оценена в 20 км. поверхности Мохо - в 40 км. В маигии фаницз Мохо погружается на 10 км; высота выступа з гранулит-базитовом слое около 10 км. Обе формы рельефа в плане изомстричиы, иради\-сы и той и другой структур приблизительно
а
б
1
2
3
4
5
6
Рис. 3. Положение нлотностных границ в пределах Тагил о-Кушвинско го района: а - поверхности Мохоровнчича: б - фанулит-базитового слоя; I - изолинии глубин: сплошные - основные, чприховые - вспомогательные (оцифровка к км); 2 - глубинные разломы, определяющие мерилиаыальнуо и субширотную блокировки земной коры: 3 - Главный Уральский разлом; 4 - направление паления зони разлома: а - подтвержденное количественными расчетами по аномалиям пазя силы тяжести. 6 - неподтвержденное; 5 - предположительно вертикальное падение зоны разлома; 6 - линии геолого-геофизических разрезов (пикеты и их оцифровка). 11ифры в кружочках: / - Красноуразьский профиль: 2 - Нижнг-Тагильский профиль; 3 - Асбестовский профиль
ЕЕ!.
Рис. 4. Модель коры: / - аппроксимация рельефа плотностоой фалины параболоидом; 2 - фактическая линия рельефа
равны 40 км. Величина средней нагрузки в пределах круга поверхности Мохо- 100 МПа. По этим данным была построена схематическая модель коры Среднего Урала (рис. 4). Ее отличие от модели, для которой решена задача в работе [17), заключается в том, что она трехслойная. Поэтому расчет абсолютных значений максимальных касательных напряже-ний был выполнен отдельно для верхней и нижней плотностных неоднородностей (рис. 5). Из расчетов следует, что касательные напряжения верхней плотностной неоднородности увеличиваются к дневной поверхности от 7 до 10 МПа; нижней - уменьшаются от 40 до 30 МПа. Имея противоположные направления действия, они компенсируют друг друга.
11о этой причине их разность способствует нарушению гидростатического напряженного
а б
Рис. 5. Изменение абсолютных значений максимальных сдвиговых напряжений по птубине:
а- граиулкг-базитовый слой: б - поверхность Мочо
состояния в коре от ее низов до дневной поверхности, т. с. равновесию в среде, и обеспечивает. таким образом, условия для миграции мантийного вещества к дневной поверхности и формированию гфсггрузии ультрзбауггов.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ, проект № 100500013.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Вуяин //. К. Современное поле напряжений в верхних горизонтах земной коры // Геотектоника.
1971. №3. С. 133-139.
2. Вандышева К В Геологическая природа Тагнло-Баранчинской аномалии паля силы тяжести II Материалы Уральской горнопромышленной декады (4-13 апреля 2010. г. Екатеринбу рг). Екатеринбург: Игл-во УГГУ, 2010.
3. Вейс-Ксенофонтова 3. Г.. Попов В В К вопросу о сейсмической характеристике Урала // Тр. ин-та / Сейсмический институт АН СССР. 1940. X? 104. С. 1-12.
4. Влох И П.. Зубков А В . Сашурим А. Д. О характере первичной напряженности горных пород (на примере Урала) // Геология и геофизика.
1972. № 11. С. 117-120.
5. В.юх //. П.. Липин Я И. Сашурин А. Д. Исследование остаточных напряжений в крепких горных породах //Современные проблемы механи-ки горных пород. Л.: Наука. 1972. С. 186-189.
6. В.юх //. П Управление горным давлением на железных рудниках. М.: Недра. 1974. 18-1 с.
7. Гутериан В Г. Эволюция многофазно-слоистой тсктоносфсры. Киев: Наук, думка, 1977. 153 с.
8. Дачник А. Н. Статьи по горному делу. М.: Углсиздат. 1957. 195 с.
9. Земля. Введение в общую геологию / Дж. Ферхуген, Ф. Тернер, Л. Вейс, К. Вархафтиг, У. Файф. Т. 2. М.: Мир, 1974. С. 482 - 595.
10. Исай В М К вопросу об условиях рагпомо-образования консолидированной земной юры // Геофизический журнал. 1983. Т. 5, № 3. С. 88-94.
11. Кузнецов Е А. Тектоника Среднего Урала. М -Л : АН СССР, 1941. 143 с.
12. Кутас Р И Пале тепловых потоков и термическая модель земной коры. Киев: Наук, думка, 1978. 148 с.
13. Некоторые особенности регионального поля упругих напряжений земной коры Урала / Н. П. Влох, А. Л. Алейников, А. В. Зубков ■ др. // Горное давление, методы управления и контроля. Фрунзе: Ил им, 1979. С. 60-70.
14. Неотектоника Урала и се связь с геофизическими аномалиями / В. П. Трифонов. Н. П. Влох,
А. Л. Алейников и др. // Геотектоника. 1969. X? 6. С 100-103.
15. Оценки региональных напряжений в верхней части земной коры Среднего Урала и Пермского Приуралья / В. В. Хронусов. С. А. Константинова и лр. //ФТПРПИ. 1999. №4 . С. 33-42.
16. Сеченов Б. Г.. Ананьева £ А/. Берлянд //. Г. Отчет партии региональной геофизики по теме: «Изучение особенностей физических полей Урала по основным структурно-формационным зонам с целью глубинного обоснования их мсталлогенн-ческой специализации и прогнозной оценки на комплекс полезных ископаемых». Свердловск. 1981.385 с.
17. Трубицын А. П.. КарасеваА. А. Упругое напряжение, связанное с неровностями плотностных границ раздела в Земле // Изв. АН СССР. Физика Земли. 1979. №12. С. 15-22.
18. Трубицин А. П. Неровность плотностных границ раздела как источник напряжений в коре и мантии // Изучение Земли как планеты методами астрономии, геодезии и геофизики. Киев: Наук, думка. 1982. С. 39-46.
19. Турчанинов И. А.. Марков Г. П. Влияние новейшей тектоники на напряженное состояние порол Хибинских апатитовых рудников // Изв. АН СССР. Физика Земли. 1966. № 8. С. 83-86.
20. Турчанинов И. А Некоторые представления о напряженном состоянии горных пород // Прикладные задачи механики горных пород. М.: Наука. 1977. С. 18-21.
21. Турчанинов И. А.. Панин В II. Геофизические методы определения и ко»гтроля напряжений в массиве. М.: Наука. 1976. 163 с.
22. Хает П.. Нияьсон Т. Измерение напряжений в скальных породах и их значение для строительства плотин// Проблемы инженерной геологии. 1967. Вып. 4. С. 13-21.
23. Хендин Д. Прочность и пластичность // Справочник физтеских констант горных порол. М.: Мир, 1969. С. 211-273.
24. ШерманС. И. Борняков С. А.. Будда В Ю Области динамического алияния разломов. Новосибирск: Наука. 1983. 112 с.
25. Шерман С. И Физические закономерности развития разломов земной коры. Новосибирск: Наука. 1977. 102 с.
УДК 550.831
О ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ ПРИРОДЕ НИЖНЕ-ТАГИЛЬСКОЙ АНОМАЛИИ ГИЛЫ ТЯЖЕСТИ
К. В. Вандышева
Статья посвящена решению задачи по оценке геологической природы источника Нижне-'Тагильской аномалии в папе силы тяжести, что обусловлено недостатком представления ее формирования. Ранее выполненные исследования свидетельствуют лишь о предварительной оценке геологической природы источника. Количественный анализ аномалии виоле силы тяжести позволил получить представление о форме, размерах, относительной плотности и пространственном положении ее источника. Это позволило сделать вывод, что источником аномалии является сформировавшаяся в зоне главного глубинного шва.
Ключевые слова: Нижне-Тагильская аномалия, гравитационное поле, плотностная неоднородность, трехмерная слоистая модель, количественный анализ, протрузня.
The article is devoted to the task of evaluation of a geological nature of a source of Nizhny Tagil anomaliy in the gravity field, that is the reson of incomplete concept of its formation. Previously investigations showed only preliminary assessment of the geological nature of the source. The quantitative analysis of the anomaly in the gravity field has allowed to get an idea about the shape, size, relative density and the spatial position of the source. This led to the conclusion that the source of the anomaly is formed in the deep zone of the main scant.
Key words. Nizhny Tagil anomaly, gravity field, density inhomogeneity. three-dimensional layered model, a quantitative analysis, protrusion.
