Тектонофизический подход к анализу разломов Мало-Ботуобинского кимберлитового района

Размещено на http://www.allbest.ru/

тектонофизический подход к анализу разломов мало-ботуобинского кимберлитового района

А.С. Гладков, Н. Н. Зинчук, С. И. Шерман, А. В. Манаков, М. Н. Гарат, С. А. Борняков, В. А. Матросов, И. А. Дзюба

В статье рассматриваются результаты применения тектонофизического подхода к исследованию разломов в пределах Мало-Ботуобинского района, базирующиеся на изучении 2500 тектонических трещин и разрывных нарушений, а также физического моделирования. Установлено, что разломные зоны сформировались в течение двух этапов сдвиговых движений. Наиболее благоприятными для проявления кимберлитового магматизма в сдвиговых зонах представляются участки взаимодействия субпараллельных разрывов, в пределах которых наиболее отчетливо проявляются элементы растяжения и/или сжатия.

Связь кимберлитового магматизма с зонами глубинных разломов в Якутской кимберлитовой провинции признается всеми исследователями. Однако до сих пор не удается разработать, выделить и систематизировать основные критерии, определяющие структурный контроль разломной тектоникой кимберлитовых тел на средне- и крупномасштабных уровнях. С одной стороны тому причиной недостаток или даже отсутствие прямых структурных данных об особенностях проявления разрывных нарушений и трещиноватости в платформенном чехле, что обусловлено закрытым характером территории, с другой - достаточно схематические, нередко устаревшие представления о строении и взаимоотношениях разноранговых разломов в фундаменте и на разных этажах платформенного чехла, закладываемые в основу создаваемых структурных схем и моделей. Основная, имеющаяся на сей день, информация о них получена с помощью геофизических либо геоморфологических методов. Результативность этих методов при изучении разломов в платформенных условия весьма низка. Так для геофизических методов остаются "невидимыми" разломы, не интрудированные основной магмой и не имеющие значительных вертикальных смещений, а также перекрытые траппами. Что касается геоморфологических методов, то в условиях слабой расчлененности платформенного рельефа, выделяемые с их помощью структурные линии, трактуемые как разломы, не всегда имеют разломную природу. Недостаток структурных данных в первом случае, и их неправомерный избыток во втором нередко приводят к тому, что структурные модели, составленные разными исследователями для одних и тех же кимберлитовых тел, отличаются, а контролирующие функции приписываются разломным зонами разных направлений [1-3], либо вообще отрицаются для разломов регионального и локального масштабных уровней [4].

В настоящее время для оптимизации прогнозно-поисковых работ назрела необходимость дополнения существующего комплекса геолого-геофизических методов, традиционно используемых для изучения структуры кимберлитовых районов, новыми методическими подходами, специально ориентированными на выявление разломных зон в верхних частях платформенного чехла, изучение их внутреннего строения и динамики развития. Сбор с их помощью принципиально новой информации и ее систематизация позволят в дальнейшем выделить набор эталонных разломно-блоковых структур, благоприятных для контроля кимберлитовых тел.

Одним из таких подходов является тектонофизический, основу которого составляет комплекс полевых и экспериментальных методов. Этот подход, разработанный в свое время М.В. Гзовским [5] в приложении к разломам, более двух последних десятков лет развивается и совершенствуется в лаборатории тектонофизики Института земной коры СО РАН. В результате многолетних комплексных исследований процессов разломообразования в литосфере на качественной и количественной основе выявлены основные закономерности строения и развития зон разломов. На большом полевом и экспериментальном фактическом материале показано, что разломы представляют собой трехмерные структурно-динамические системы, внутренняя структура которых развивается трехстадийно. Этот процесс, для описания динамики которого применимы базовые положения неравновесной термодинамики, мезомеханики, синергетики и фрактальной геометрии, характеризуется пространственно-временной дискретностью, неравномерностью и нелинейностью. Установлено, что в ходе постадийной структурной эволюции в зоне разлома формируется закономерный спектр парагенезисов разрывных нарушений и вычленяемых ими блоков. Их геометрические и кинематические характеристики в каждом конкретном случае определяются морфолого-генетическим типом разлома, стадией его развития, геологическими свойствами горных пород и скоростью их деформирования [6-12]. Накопленный опыт полевого изучения разломов в тектонических областях с различными геодинамическими режимами развития позволил не только усовершенствовать многие методические приемы, но и разработать новые. Один из таких приемов, названный авторами "метод спецкартирования", адаптирован для картирования зон разломов в любых тектонических обстановках, включая платформенные, и на сегодняшний день не имеет аналогов в мире.

С 2001г. ЯНИГП ЦНИГРИ АК "АЛРОСА" и ИЗК СО РАН проводят совместные тектонофизические исследования разломноблокового строения кимберлитовых районов Якутской алмазоносной провинции с целью выявления факторов структурного контроля кимберлитовых тел. В настоящей статье представлены первые результаты применения тектонофизического подхода к изучению разломов в пределах Мало-Ботуобинского района, для которого весьма остро стоит проблема прогноза и поиска новых месторождений алмазов.

Объекты и методы полевых тектонофизических исследований

Разломную структуру Мало-Ботуобинского района определяет Вилгонско-Мархинская зона разломов, основные из которых (Западный, Центральный, Параллельный, Восточный и др.) уверенно картируются в виде линейных полосовых аномалий магнитного и гравитационного полей. Эти региональные разломы фундамента не имеют продолжения в перекрывающем их чехле в виде единых, протяженных магистральных сместителей, а проявляются здесь в виде зон сгущения локальных разломов шириной до 3-4 км. О внутреннем строении этих зон практически ничего не известно, хотя именно в их пределах размещены все обнаруженные к настоящему времени кимберлитовые тела. Поэтому полевые тектонофизические исследования были направлены, прежде всего, на изучение и типизацию (с точки зрения парагенетического анализа) структурных обстановок в зонах указанных разломов в верхней части осадочного чехла. При этом сочетались детальные и площадные исследования. Первые из них проводились на эталонных участках, характеризующихся наличием кимберлитовых тел, вторые охватывали площадь проявления разломов Вилюйско-Мархинской зоны, прилегающую к г. Мирный (рис.1).

Учитывая слабую обнаженность территории, было проведено обследование как природных, так и искусственных, вскрытых в процессе техногенной деятельности (канавы, подрезки склонов у автодорог, карьеры и др.), выходов горных пород. Методический подход к сбору фактического материала - спецкартирование [13] включал в себя детальное описание трещиноватости и разрывных нарушений, оценку взаимоотношений трещинных систем, статистический замер элементов залегания тектонических трещин, документацию геологических проявлений разрывов более крупного масштабного ранга, изучение блоковых структур низкого иерархического уровня, определение основных численных параметров разрывных нарушений и трещин, а также характеристику геологического субстрата, определяющего плотность и форму трещиноватости. Всего создано 28 точек наблюдения в отложениях палеозойского и мезозойского возрастов (в том числе четыре из них в карьерах трубок Дачная и Таежная), в пределах которых охарактеризовано, в общей сложности, около 2500 тектонических трещин и разрывных нарушений.

Pис.1. Местоположение и ориентировка зон локальных разрывных нарушений на площади исследований.

Результаты полевых тектонофизических исследований

Для проведения детальных исследований в качестве эталонных были выбраны участки локализации кимберлитовых трубок Дачная и Таежная, приуроченных к узлам сочленения локальных разрывных нарушений север-северо-восточного (ССВ) и северо-западного (СЗ) направлений [2]. Однако, как показывают наши данные, строение этих узлов различно.

Разрывную структуру участка трубки Дачная определяют (рис.2, А): мощные (от первых до первых десятков метров) зоны разрывных нарушений ССВ (азимут падения 300-310, 85-88°) и ССЗ (аз. пад. 250,85-88°) направлений, крупные трещины и мелкие зонки (мощностью в первые десятки см) ЗСЗ простирания (аз. пад. 185-190, 80-88°), а также межслоевые срывы. Тектоническое строение околотрубочного пространства осложняется наличием складки, шарнир которой склоняется на северо-восток под углом 10°. Структурный рисунок на диаграммах массовых замеров трещин во вмещающих трубку породах отвечает сдвиговому типу деформаций. Наблюдаемое сочетание разрывных (за исключением ССВ нарушений) и складчатых форм (рис. 2, Б) могут быть интерпретированы как единый парагенезис структур, сформированных в процессе левосдвиговых движений в разломной зоне субмеридионального направления (разлом Параллельный). При этом разрывы ССЗ простирания представляют собой R-сколы, ЗСЗ нарушения отвечают R'-сколам, а складка маркирует структуры сжатия, которые в общем случае для данного парагенезиса отвечают разрывам t-типа [14]. Из левосдвигового структурного ансамбля "выпадают" ССВ разрывы. Их формирование в зоне субмеридионального разлома возможно только на этапе правосдвиговых движений.

Рис. 2 А) Схема разрывных и пликативных нарушений участка трубки Дачная. 1 - кимберлитовая трубка Дачная; 2 - зоны повышенной трещиноватости и их падение; 3 - система крупных трещин; 4 - шарнир складки; 5 - горизонты карьера. Б) Интерпретация парагенеза структур, определяющих тектоническое строение участка локализации трубки Дачная (см. пояснения в тексте)

На участке трубки Таежная строение разломного узла несколько иное. Здесь помимо дизъюнктивов ССВ и ССЗ ориентировок значительную роль играют ВСВ разрывы (рис.3. А). Нарушения ССВ и ВСВ направлений представляют собой зоны повышенной трещиноватости, реже дробления пород мощностью до 10 и более метров. Масштаб ССЗ нарушений скромнее - это зоны трещиноватости мощностью не более первых десятков сантиметров - первых метров. Кроме того, в западном борту карьера наблюдается надвиговая зона с падением на ССВ (аз. пад. 10-15, 10-25°). Структурные рисунки диаграмм трещиноватости (за исключением диаграммы в зоне надвига) также как и на трубке Дачной соответствуют сдвиговым деформациям. Однако здесь налицо правосдвиговый парагенез структур в зоне субмеридионального разлома (разлом Западный): ССВ нарушения соответствуют R-сколам, ВСВ - R'-сколам, надвиг- разрывам t-типа (рис.3, Б). В данную схему не укладываются дизъюнктивы ССЗ ориентировки. Их формирование возможно при наличии второго (левосдвигового) этапа деформаций в зоне субмеридионального разлома.

Площадные исследования, выполненные в районе г. Мирный, позволили получить новые данные об особенностях организации сети локальных нарушений в зонах субмеридиональных разломов (Западного, Параллельного, Центрального и Восточного) (рис. 1). Установлено, что определяющую роль в строении зон указанных разломов в осадочном чехле играют: субвертикальные (зоны повышенной трещиноватости, грубого рассланцевания и дробления пород мощностью от первых метров до десятков, реже - сотен метров), а также субгоризонтальные (послойные и межслоевые нарушения) дизъюнктивы. Из субвертикальных (углы падения 80-88°) наиболее многочисленными являются разрывы север-северо-восточного простирания (рис.4).

Вторые по значимости - разрывные нарушения северо-западного направления. Третью группу составляют дизъюнктивы близширотной ориентировки, среди которых выделяются незначительные максимумы ВСВ и ЗСЗ направлений.

Рис. 3. А) Схема paзрывных нарушений участка локализации трубки Таежная. 1 - кимберлитовая трубка Таежная; 2 - зоны повышенной трещиноватости и их падение; 3 - система крупных трещин; 4 - надвиг: 5 - границы карьера. Б) Интерпретация парагенеза структур, определяющих тектоническое строение участка локализации трубки Таежная (см. пояснения в тексте).

Рис. 4. Роза-диаграмма простиранния субвертикальных тон разрывных нарушений (Мирнинское кимберлитовое поле) и ее предполагаемая интерпретация.

Кинематика крутопадающих разрывов всех указанных ориентировок пока неясна. Наиболее отчетливо фиксируются вертикальные смещения - преимущественно сбросового, реже взбросового типа. Однако их амплитуда невелика - от первых до десятков сантиметров. Сдвиговые подвижки практически не видны. В тоже время для большинства диаграмм массовых замеров трещин в точках наблюдения отмечаются характерные структурные рисунки - пояса трещиноватости, позволяющие судить о направлениях и характере движений по сместителям разрывных нарушений [15.16]. Для изучаемой площади наиболее частой является ситуация, когда максимумы систем трещин, образующие пояс, расположены по дуге большого круга, что отвечает преимущественно сдвиговому типу смещений. По нашему мнению, некоторое несоответствие прямых наблюдении и данных структурно-парагенетического анализа связано с тем, что в пределах осадочного чехла основные маркеры - горизонтальные (границы слоев пород разного состава и цвета), тогда как вертикальные (позволяющие фиксировать сдвиговые перемещения) весьма редки. Именно поэтому следы и амплитуды сдвиговых движений трудно зафиксировать в полевых условиях.

Послойные нарушения преимущественно представлены надвигами. Надвиговый характер субгоризонтальных разрывов чаще всего устанавливался по наличию характерных структур - приразломных заворотов слоев и складок, а также сдвиговых дуплексов. Прямые наблюдения надвиговых смещении более редки. Углы падения данных дизъюнктивов колеблются от 5 до 15°. Выделяются две основные системы простирании надвиговых сместителей северо-восточное и запад-северо-западное.

Зафиксированные системы разрывов и их пространственные взаимоотношения, также как и представленные выше результаты изучения карьеров трубок Дачная и Таежная, укладываются в схему проявления двух этапов сдвиговых деформаций в зонах разломов субмеридионального направления (рис.4). При этом на момент правосдвиговых движений R и R' - сколами будут дизъюнктивы ССВ и ЗСЗ простираний, а при левом сдвиге - СЗ и ВСВ, соответственно. Послойные срывы надвигового типа, афиксированные на различных участках обследованной площади, в этом случае представляют собой разрывы дополнительной системы, обеспечивающие возможность перемещения материала вдоль субвертикальных сдвиговых нарушений основной (R-сколы) и второстепенной (R'-сколы) систем [14].

Предложенная тектонофизическая модель двухэтапного формирования сети разрывных нарушений в пределах Мало-Ботуобинского кимберлитового района была проверена экспериментально.

Результаты физического моделирования

В рамках проведенного физического моделирования выяснялась возможность наложений новообразованных систем разрывов на ранее существовавшие в пределах одной разлом ной зоны, развивающейся в условиях двухэтапного действия разнонаправленных сдвиговых деформаций. Моделирование выполнено с соблюдением условий подобия. Граничные условия экспериментов определялись в соответствии с критерием-комплексом подобия:

з/сgLT = const (1)

где з - вязкость, Пас; с - плотность, кг/м³, g - ускорение свободного падения, м/с²; L - линейные размеры, м; Т - время, с. Правомерность использования данного критерия-комплекса обсуждалась [5-7]. Уравнение (1) позволяет вычислить масштабные коэффициенты для каждого из использованных в нем физических параметров. В нашем случае масштабные коэффициенты вязкости С_з, плотности С_с, линейных размеров С_l, и времени C_t составляли - 10^-16, ~1, ~ 10⁶, ~ 10¹¹ соответственно. При выбранных значениях С_l, и C_t 1 мм в модели соответствовала 1 км в её природном аналоге, а 1 минута эксперимента была эквивалентна 1 млн. лет природного процесса.

В качестве модельного материала использованы водные пасты монтморилонитовой и бентонитовой глин, обладающих упруговязопластичными свойствами. Правомерность их использования в качестве эквивалентного материала при моделировании процессов разломообразования обоснована специальными исследованиями [5,17,18]. Эксперименты проведены на двухслойных моделях. Нижний слой, имитирующий фундамент платформы, изготавливался из монтморилонитовой глины вязкостью h=10⁷ Па.с и имел толщину 10^-1 м, что в пересчете через коэффициенты подобия соответствует 100 км литосферы с вязкостью h=10²³ Па.с. Верхний слой модели, имитирующий осадочный чехол, изготавливался из бентонитовой глины вязкостью 10⁴ Па.с при толщине 4х10^-3 м, что соответствует величинам этих параметров 10²⁰ Па.с и 4x10³ м в его природном аналоге.

Pиc.5 Последовательность развития сдвиговых зон на модели из пасты бурой глины А - 1 этап (деформация фундамента платформы); Б - 2 этап (деформации осадочного чехла); В - 3 этап (деформации осадочного чехла). Стрелками показано направление сжатия модели.

кимберлитовый магнетизм разрыв ботуобинский

Моделирование проводилось на установке "Разлом", позволяющей воспроизводить в моделях процессы формирования основных морфолого-генетических типов зон разломов в широком диапазоне скоростей деформаций. Нами воспроизводились сдвиговые зоны в условиях сжатия. Эксперимент проводился в три этапа.

В первый этап слой, имитирующий фундамент платформы, деформировался при одностороннем боковом сжатии до тех пор, пока в нем не сформировались хорошо проработанные сопряженные сдвиговые зоны (рис.5, А). Системы разрывов, участвующие во внутреннем строении зон, развиваются закономерно от многочисленных непротяженных разрывов через избирательное разрастание одних и отмирание других к единому магистральному. Внутреннее строение каждой зоны в первую стадию развития представлено двумя системами опережающих разрывов типа R и R'- сколов, В дальнейшем преимущественное развитие получали только первые из них.

Во второй этап на модель накладывался второй слой, соответствующий платформенному чехлу, и возобновлялось ее деформирование при неизменных условиях. В чехле со временем формируется редкая сеть разрывов (рис.5, Б). Это объясняется тем, что в нижнем слое модели ряд разрывов утратил активность и в верхнем слое они не проявляются.

В третий этап проводилось заглаживание поверхности модели и продолжалось её деформирование при новом направлении бокового сжатия, отличающегося от первоначального на 90°. Заглаживание модели было необходимо для того, чтобы более, четко зафиксировать разрывы, формируемые при смене направления движения в сдвиговых зонах Разрывы, проявившиеся на этом этапе, показаны на рис,5, В.

Анализ особенностей разрывообразования в сопряженных сдвиговых зонах (для платформенного чехла) при смене знака подвижки показал следующее:

- сформированные на втором этапе системы, разрывов сдвиговых зон верхнего слоя, имитирующего платформенный чехол, при смене направления действия сил активизируются лишь фрагментарно, меняя при этом знак подвижки. Часть ранее сформированных разрывов (или их сегментов) на третьем этапе не проявляется;

- при смене направления сжатия модели, несмотря на наличие и частичную активизацию разрывной структуры второго этапа, в сдвиговых зонах формируются новые разрывы (R и R' сколы). Ориентировка последних существенно отличается от направлений разрывов, заложившихся на втором этапе.

В целом полученная интегральная схема разрывных нарушении (рис.6), сформированных в модели при двухактном её деформировании согласуется с аналогичными схемами, построенными по полевым наблюдениям, что является дополнительным аргументом в пользу правомерности предложенной выше интерпретации полевых данных.

Рис.6. Интегральная схема разрывов, сформированных в слое, имитирующем платформенный чехол в течении второго и третьего этапов.

Заключение

Таким образом, первые шаги по использованию тектонофизического подхода по анализу разломных зон Мало-Ботуобинского района позволяют сделать вывод об их формировании в течении как минимум двух этапов сдвиговых движений. При этом в строении разломных зон наблюдается «наложение» структурных планов разных этапов. Полученные результаты дают возможность:

- во-первых, наметить пути дальнейшего поиска структурных факторов локализации кимберлитовых тел с учетом известных закономерностей внутреннего строения зон сдвиговых разломов. Можно предположить, что наиболее благоприятными для проявления кимберлитового магматизма в сдвиговых зонах представляются участки взаимодействия субпараллельных разрывов -сдвиговые дуплексы, в пределах которых наиболее отчетливо проявляются элементы растяжения и/или сжатия. Поэтому дальнейшее исследование будут направлены на выделение и изучение участков подобных структур в полевых условиях и воспроизведение динамики их развития на моделях.

- во-вторых, необходимо учитывать особенности строения разрывных систем в зонах разломов при постановке сети поисковых профилей и интерпретации геофизических данных. Кроме того, возможно (необходимо) сопровождение геофизических исследований в пределах перспективных участков детальными тектонофизическими работами, которые позволят более корректно расшифровать строение разломных зон в структурном отношении и способствовать совершенствованию интерпретации геофизических данных.

Литература

1. Молчанов Ю.Д., Саврасов Д.И. Физико-геологическая характеристика кимберлитоконтролирующих разломов Мирнинского кимберлитового поля//Геология и полезные ископаемые Восточной Сибири-Новосибирск: Наука, 1985г., С45-64.

2. Борис Е.И., Францессон Е.В. О закономерностях размещения кимберлитовых тел в Мало-Ботуобинском районе (Западная Якутия) //Изв. ВУЗов, Геология и разведка. -1992г., №5, С.125-132.

3. Дукардт Ю.А., Борис Е.И. Авлакогенез и кимберлитовый магматизм. -Воронеж: изд-во ВГУ, 2000г., 161с.

4. Милашев В.А. Структуры кимберлитовых полей - Л.: Недра, 1979г. 183с.

5. Гзовский М.В. Основы тектонофизики. М: Наука, 1975г., 536с.

6. Шерман С.И., Борняков С.А., Буддо В.Ю. Области динамического влияния разломов. Новосибирск: СО изд-ва Наука, 1983г., 112с.

7. Шерман С.И., Семинский К.Ж., Борняков С.А. и др. Разломообразование в литосфере: зоны сдвига. - Новосибирск: СО изд-ва Наука, 1991. -261 с.

8. Шерман С.И., Семинский К.Ж., Борняков С.А. и др. Разломообразование в литосфере: зоны растяжения. -Новосибирск: СО изд-ва Наука, 1992г., 226 с.

9. Шерман С.И., Семинский К.Ж., Борняков С.А. н др. Разломообразование в литосфере: зоны сжатия. - Новосибирск: СО изд-ва Наука. 1994. - 227 с.

10. Шерман С.И., Гладков А.С. Новые данные о фрактальной размерности разломов и сейсмичности в Байкальской рифтовой зоне//ДАН. -1998. - Т. 361С. 685-688.

11. Борняков С.А., Шерман С.И., Гладков А.С. Многоуровневая самоорганизация деструктивного процесса в сдвиговой зоне//Физическая мезомеханика. - 2000. -Т.3, №4. - С. 107-115.

12. Борняков С.А., Шерман С.И., Гладков А.С. Структурные уровни деструкции в сдвиговой зоне и их отражение во фрактальных размерностях//ДАН. - 2001. - Т.377. - №1. - С. 72-75

13. Семинский К.Ж. Принципы и этапы спецкартирования разломно-блоковой структуры на основе изучения трещиноватости // Геология и геофизика. -1994. - №9. - С. 112-130.

14. Семинский К.Ж. Разрывная структура континентальных зон растяжения, сжатия и сдвига (тектонофизические закономерности) // Автореф. дисс.... доктора геол.-мин. наук. - Иркутск, 2002. - 33 с.

15. Данилович В.Н. Тектоника юго-восточной окраины Прибайкальской юры. - Иркутск: Ирк.обл. изд-во, 1941. -81 с.

16. Гладков А.С., Семинский К.Ж. Нетрадиционный анализ поясов трещиноватости при картировании субгоризонтальньгх разломных зон (на примере окрестностей г. Иркутска)// Геология и геофизика. -1999. -Т.40, №2. - С.213-220.

17. Стоянов С. Механизм формирования разрывных зон. -М.: Недра, 1977.- 144с.

18. Семинский К.Ж. Анализ распределения опережающих разрывов при формировании крупных дизъюнктивов // Геология и геофизика. - 1986. - № 10. - С. 9-18.

Размещено на Allbest.ru