Тектоническая дезинтеграция массива потенциально оползневого участка борта Главного карьера Качканарского ГОКа Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

© A.B. Яковлев, M.C. Волкодаева, Н.И. Ермаков, 2004

УДК 622.271

А. В. Яковлев, М. С. Волкодаева, Н.И. Ермаков

ТЕКТОНИЧЕСКАЯ ДЕЗИНТЕГРАЦИЯ МАССИВА ПОТЕНЦИАЛЬНО ОПОЛЗНЕВОГО УЧАСТКА БОРТА ГЛАВНОГО КАРЬЕРА КАЧКАНАРСКОГО ГОКа

Семинар № 2

Главный карьер Гусевогорского месторождения железо-ванадиевых руд

вплотную примыкает к тектоническому шву Главного Уральского разлома, который в свое время стал источником и проводником, а также местом отложения изверженных пород, ныне представленных несколькими разновидностями пироксенитов, габбро и плагиоклазитовыми жилами, возникшими после отложения ультра-основных пород. Такое географическое расположение карьера несомненно должно было повлечь негативные деформационные процессы в прибортовом массиве. И это произошло спустя 22 года с момента разработки месторождения открытым способом. Негативные визуально отслеживаемые деформационные процессы оползневого типа стали происходить в северозападном борту карьера, наиболее насыщенном плагиоклазитовыми жилами. В 1986 г. произошел оползень довольно крупного масштаба с небольшой глубиной распространения. Общая масса оползня достигала 500 тыс. т.

Последствиями развития оползневого процесса стали интенсивные деформации на месте сползшей призмы, которые были установлены только через пять лет с помощью маркшейдерских методов наблюдений, когда проявились признаки нового оползневого явления. С течением времени эти деформационные процессы на контролируемом участке прибортового массива стали затухающими. Однако в последние три-четыре года интенсивность деформаций возросла. В этот период сотрудниками Института горного дела УрО РАН были проведены дополнительные наблюдения за подвижностью нескольких участков массива с помощью метода спутниковой геодезии аппаратурой GPS. Результаты наблюдений опровергают многие из установленных ранее закономерностей деформационного поведения прибортового массива рудных месторождений.

Наряду с полученными текущими отсчетами перемещениями отдельных пунктов были выполнены расчеты перемещений отдельных маркшейдерских точек за более длительный период, то есть с момента установки этих пунктов. Было определено, что за десятилетний период отдельные точки массива, лежащие на поверхности карьера проделали путь свыше 5 м. Учитывая, что движения отдельных точек в этот период не было строго направленным, а постоянно изменялось по азимуту, то это значение перемещения не просто свидетельствует о сложных деформационных процессах в прибортовом массиве, а выражает иную сущность прибортовых деформаций, идущих с более глубоких горизонтов карьера. Естественно, что эти процессы являются результатом действия тектонического поля напряжений. На последствия действия неоднородного поля напряжений в прибортовом массиве указывает и искажение начальной формы расположения блочной структуры массива. Например, интервал между двумя наблюдательными пунктами длиной около 180 м, вытянутый по азимуту 117°, за один год увеличился на 1,7 м за счет растяжения как по широте, так и по меридиану. Интервал между двумя другими пунктами, расположенными по азимуту 18° также увеличился на 1,6 м, но при этом в широтном направлении было зафиксировано сжатие до 2,2 м, а в меридиональном направлении - растяжение на такую же величину.

Понятно, что высокие значения деформаций интервалов, вызванные переуплотнением блочной системы массива, возможны только при соответствующей его структуре. Какова же структурная решетка массива, заданная трещинами и более протяженными тектоническим нарушениями? На первый взгляд, в карьере мы встречаемся с тектоническим хаосом. Здесь крупноблочный массив (длина блока по про-

стиранию более 3 м) соседствует со среднеблочным (длина по простиранию от 1 до 3 м) и мелкоблочным (длина по простиранию блока менее 1 ми мощность менее 0,5 м). В пределах потенциально опасного оползневого участка массива преобладает мелкоблочный массив, за границами этого участка - среднеблочный. Объем крупноблочного дислокациями массива вне пределов оползневой зоны тоже значительно возрастает.

Однако внешнее впечатление не дает исчерпывающих сведений о закономерностях обустройства массива и взаимосвязи данного фактора с деформационными способностями массива по отношению к тектоническому полю напряжений. Структурная неоднородность

массива может быть установлена путем только фактических замеров трещиноватости. В 2003 г. сотрудниками лаборатории устойчивости бортов карьеров Института горного дела УрО РАН было обследовано четыре горизонта на протяжении около 400 м каждый и картировано около 500 тектонических элементов, включающих сдвиговые зоны, тектонические зоны, нарушения, первичные трещины сдвига и протяженные трещины отрыва. Вторичные трещины сдвига и отрыва не картировались по той причине, что их сосредоточение в отдельных участках могло бы сильно повлиять на результаты анализа.

Потеря этой фоновой информации о структуре была заменена подробным описанием физических параметров дизъюнктивов, к которым относятся их азимут простирания и угол падения, протяженность, заполнитель шва и так далее. Всего учитывалось 10-12 элементов, которые можно было непосредственно зафиксировать в нижней части уступа. Все картированные элементы отражают развитие структуры во времени и их современную активность под влиянием поля напряжений в прибортовом массиве. На современную активность большого количества тектонических дислокаций указывают штрихи и борозды скольжения, оставляемые на плоскостях дизъюнктивов при взаимном перемещении висячих крыльев относительно лежачих крыльев. О том, является ли плотной или неплотной структура блоков после их взаимного перемещения, свидетельствует влажность швов и тип индикатора подвижности.

В процессе изучения структурного строения массива в пределах оползневой зоны было установлено, что генеральными тектонически-

ми структурами массива являются пологопадающие нарушения с шириной шва до 20 см, выполненные несколькими типами минералов, которые обнаруживаются и в дизъюнктивах других типов и направлений. Это долгоживущие структуры, образованные после отложения изверженных пироксенитов под действием па-леотектонического поля напряжений в шовной области Главного Уральского надвига. Они достаточно неравномерно распределены как по глубине залежи, так и в плане. Многие из этих структур имеют четко выраженную современную подвижку, а часть из пологих нарушений претерпели подвижку крыльев уже после оформления уступов. Их подвижность объясняет результаты замеров, проведенных с помощью спутниковой и маркшейдерской аппаратуры. Большей частью эти шарьяжные структуры увлажнены и даже обводнены. Еще одной особенностью их тектонического развития является их быстрое затухание по простиранию. Так, такие нарушения с амплитудой смещения до 1 м имеют затухание по деформации через 30 - 50 м. Затем на новом уровне параллельно им развивается другая структура того же типа. За пределами оползневой зоны плотность таких шарьяжных структур основательно снижена.

Некоторые из областей массива основательно посечены трещинами, имеющими близкие ориентации к генеральным структурам. Такие сильно расчлененные массивы напоминают зоны грубой рассланцованности с преобладанием трещин одной генерации. Поперечные и диагональные к ним трещины развиты в значительно меньшей степени. И все они создают впечатление мелкоблочного обустройства массива.

Вторыми по значению на деформационное поведение массива, вероятно, оказывают влияние трещины отрыва. Эта генерация трещин возникает в процессе перемещения массива по сдвиговым структурам и развивается в местах зацепов на плоскостях перемещений или в зонах отрывных деформаций. Первые генерации отрывных трещин на месторождении оказались очень протяженными. Они преимущественно сгруппированы в отдельных областях месторождения, к которым как раз принадлежит и оползневая зона. В тот далекий геологический период отрывные трещины были заполнены плагиоклазитовым материалом. Образование таких трещин по времени было достаточно длительным, так как на месторождении встре-

чают различные типы плагиоклазитового материала. Более поздние трещины отрыва уже выполнены серицитом, как и большая часть сдвиговых трещин. Многие из трещин этой генерации в дальнейшем трансформировались в сдвиговые трещины большой протяженности, а некоторые из них сгруппированы в сдвиговые зоны различной направленности. Наиболее мощные залеченные слабыми минералами сдвиговые зоны имеют наклонное южное падение.

Очень важными для развития деформаций в прибортовом массиве являются и достаточно протяженные пологопадающие трещины сдвиговой генерации, возникшие на отдельных участках и соединяющие шарьяжные нарушения с выраженной амплитудой подвижки. Они также залечены несколькими минералами, что подчеркивает их взаимосвязь с пологими тектоническими структурами.

К самостоятельным тектоническим структурам можно также отнести крутопадающие сдвиговые нарушения или редко встречающиеся тектонические зоны субширотного и субмеридио-нального простирания. Они развиты не повсеместно. Их пространственная решетка довольно неоднородна. В одном месте может быть сгруппировано до 3-4 таких трещин, затем наблюдаются большие участки массива, где их нет совсем, а есть крутопадающие трещины диагонально расположенные к ним. Диагональные крутопадающие трещины имеют преимущественно северозападное направление простирания. Шовный заполнитель нарушений и трещин указанной ориентации отражает их синхронность в генерации и синхронность в возобновлении под влиянием тектонических процессов в пределах Главного Уральского надвига. В настоящее время эти структуры также подключены к деформированию прибортового массива.

Отмечено множество трещин и других направлений, которые по своей протяженности, заполнителям шва можно условно отнести к вторичным трещинам сдвига или отрыва. В ряде областей массива они дополняют тектоническую решетку, ослабляя породный каркас. В настоящее время, судя по наличию штрихов на поверхностях этих вторичных структур, они также участвуют в дезинтеграции прибортового массива.

Если бы все имеющиеся в массиве трещины были очень протяженными, северозападный борт Главного карьера представлял

бы из себя очень компактно упакованный разноблочный по крупности массив со слабыми связями между блоками, перемещающийся под действием тектонических сил в одном направлении. Оползневая деформация такого массива могла быть вызвана небольшой энергетической добавкой, которая образуется при взрывных работах. Сами взрывные работы были бы энергетически малозатратными. Однако, в действительности, при взрывных работах на одних участках достигается достаточно хорошая кус-коватость пород, а на других участках наблюдается большой выход негабарита. Но так как все трещины в этом массиве являются быстрозатухающими, то между ними остается множество породных перемычек. Совокупность этих перемычек препятствует линейному перемещению массива под действием тектонического поля напряжений, но не служит достаточным препятствием для обеспечения его абсолютной устойчивости.

Нарушение устойчивости массива может происходить после разрушения этих перемычек. В отдельных областях это разрушение может произойти за счет концентрации напряжений и изменения ориентировки максимальной и минимальной компонент напряжений, то есть за счет трансформации поля напряжений в какой-то области массива. Наиболее значительная трансформация тектонического поля напряжений происходит в период проведения взрывных работ. Под действием взрыва породы разрушаются на куски, между которыми образуется пространство. Тектонические напряжения «снимаются» с этой области массива и переносятся на смежную область, где нет пустот. К имеющейся главной максимальной компоненте напряжений добавляется «снятая» часть напряжений с разрушенного участка. В результате значение максимальной компоненты не только увеличивается, но и изменяет направление. Максимальная компонента приобретает неблагоприятное направление для устойчивого положения некоторых тектонических структур. Взаимное положение крыльев таких дизъюнк-тивов начинает меняться, висячее крыло нарушения перемещается в направлении действия максимальной компоненты напряжений (см. рис.). Последствием перемещения по шву дизъ-юнктива становится дезинтеграция той породной области, которая попала под влияние деформации.

траектория нтолимий о, подвижный уЧаСТОК ДИ1ЫОИГТИМ неподвижные швы

Наиболее неблагоприятное расположение по отношению к новому полю напряжений на уступе имеют пологие нарушения. Взаимное перемещение крыльев шарьяжных структур чаще всего приводит к «наезжанию» краевой части уступа на массив, хотя логичнее было бы предположить, что должно идти «съезжание» краевой области массива. Наезд краевой части на массив по наклонным трещинам приводит к воздыманию этой части. Однако этот механизм поднятия массива часто объясняется другими физическими процессами, которые могут также иметь место, но быть вторичными по отношению к указанным деформациям.

Доказательством этого являются результаты наблюдений. В условиях северо-западного участка Главного карьера в восьмидесятые годы прошлого века сотрудниками Института горного дела УрО РАН изучалось поведение краевой части массива под влиянием взрывных работ и получены очень интересные результаты, раскрывающие механизм поведения краевой части массива вблизи вновь образованной бровки бермы под влиянием трансформации тектонического поля напряжений в приборто-вом массиве.

Было получено, что ширина зоны деформации на горизонте ведения взрывных работ оказывается близкой по значению к ширине «отбитой» рудной или породной полосы. Амплитуда сокращения ширины бермы в этом случае достигала порой 1,5 ми даже 2,7 м. Основной вектор подвижки, вычисленный по маркшейдерским замерам специально оборудованных измерительных станций, был ориентирован в

— Коротко об авторак ---------------------------

ЯковлевА.В., Волкодаева М.С., Ермако Н.И. - Институт

УДК 622.271

Схема подвижности нарушений

направлении восстания пологопадающих дизъюнктивов, причем в этот период деформирования на его результат были задействованы дизъюнктивы с падением в массив. Основной тип подвижки по этим пологим и наклонным структурам был надвиговым. Лишь в одном случае наблюдалась сдвиговая подвижка по одной из крутопадающих диагонально ориентированных структур. Зафиксированы также единичные случаи подвижек взбросового типа по крутопадающим субширотным нарушениям с небольшой амплитудой перемещения в горизонтальном направлении.

Фактическим подтверждением описанного механизма дезинтеграции прибортового массива под влиянием изменяющегося в пространстве и времени тектонического поля напряжений служит картирование ориентировок перемещений висячих крыльев множества дизъюнктивов, которое проводилось в период изучения структуры массива. Так, в пределах оползневой зоны были определены все кинематические оси подвижных дизъюнктивов. Кинематической осью дизъюнктива мы называем вектор перемещения любой точки, лежащей на поверхности висячего крыла шва нарушения. Ориентировка кинематических осей нарушений в пределах исследованных горизонтов карьера показывает, что дезинтеграция прибортового массива под влиянием тектонического поля напряжений происходит в несколько этапов. Сначала возникают подвижки в пределах влияния тектонических зон, затем эти процессы распространяются на междутрещинные породные перемычки, после чего выделяется оползневая призма. Процесс завершается образованием трех поверхностей скольжения. Нижняя из поверхностей скольжения интегрирована с включением множества сдвиговых и отрывных трещин, ориентированных по направлению главного перемещения.

горного дела УрО РАН.

© А.Р. Юмагужин, 2004