Поля напружень та геологічна структура західного замикання Горлівської антикліналі Донбасу

Дисертація присвячена вивченню структурно-тектонофізичних особливостей і закономірностей формування геологічної структури і тектонічних розривів західного замикання Горлівської антикліналі Донбасу для прогнозу гірничо-геологічних умов розробки вугільних родовищ. Об’єктом дослідження є західне замикання Горлівської антикліналі Донбасу, предметом дослідження – геологічна структура і поля напружень.
Знання закономірностей і механізмів утворення, просторового розміщення тектонічних дислокацій у теоретичному плані необхідні для створення фізичної теорії розвитку деформаційних процесів в земній корі, у практичному відношенні вони можуть використовуватися при прогнозі, пошуках і розвідці родовищ корисних копалин, при прогнозуванні гірничо-геологічних умов їх розробки. В цьому зв’язку Горлівська антикліналь становить інтерес як об'єкт тектонофізичних досліджень не тільки через свою структурну складність і механізм розвитку, але й через те, як ці особливості впливають на безпечну та ефективну розробку вугільних родовищ, що є особливо актуальними у зв’язку з необхідністю освоєння глибших горизонтів за більш складних геологічних умов.
Дослідження виконане на основі: 1) вивчення кінематики, морфологічних особливостей і вікових взаємовідношень тектонічних розривів; 2) реконструкції основних параметрів полів тектонічних напружень локального і мезорегіонального рівнів і крихких деформацій; 3) виокремлення структурних парагенезисів деформаційних елементів гірського масиву і визначення механізму їх утворення; 4) аналізу ускладнюючих гірничо-геологічних чинників, визначення їхніх закономірних зв’язків з конкретними типами тектонічних структур і основними параметрами поля деформацій і напружень.
Методичною основою досліджень є кінематичні методи вивчення тріщинно-розривних структур у поєднанні з традиційними геолого-структурними методами: (а) структурно-морфологічний аналіз тектонічних елементів досліджуваного регіону; (б) польові структурно-тектонофізичні спостереження у гірничих виробках з докладним документуванням морфології і кінематики деформаційних елементів гірського масиву; (в) тектонофізичні і статистичні методи аналізу тріщинно-розривних структур із застосуванням сітки стереографічних проекцій і спеціалізованих програмних продуктів. Вихідними даними для кінематичних реконструкцій були просторові і кінематичні характеристики тектонічних порушень, отримані упродовж польових тектонофізичних досліджень гірничих виробок у межах поля шахти «Новодзержинська», найзахіднішої для району досліджень, розташованої на самому західному периклінальному замиканні Горлівської антикліналі.
Наукова новизна отриманих результатів полягає у тому, що для досліджуваної території західного замикання Горлівської антикліналі: (1) вперше реконструйовано основні параметри полів сумарних крихких деформацій і тектонічних напружень локального і мезорегіонального рівнів; (2) вперше виділено структурний парагенезис деформаційних елементів гірського масиву; (3) удосконалено уявлення щодо кінематики, морфологічних особливостей і вікових взаємовідношень тектонічних розривів; (4) достало подальшого розвитку уявлення щодо наявності в геологічній структурі зсувів і зсувних зон, описана їх морфологія, супутні деформації і механізм їх утворення; (5) вперше визначена приуроченість основних чинників, що ускладнюють гірничі роботи (дрібноамплітудна тектоніка, обвалення і завали гірничих виробок), до наймолодших тектонічних дислокацій гірського масиву – зсувів.
У теоретичному плані результати наукової роботи роблять внесок у розширення наукових уявлень про умови заключного, наймолодшого, етапу формування геологічної структури західного замикання Горлівської антикліналі, включаючи: (1) поле тектонічних напружень, що існувало під час формування структури, основні параметри якого (орієнтування осей головних нормальних напружень і вид напруженого стану гірського масиву) були реконструйовані з урахуванням напряму сколових зміщень графічним і аналітичним способом на локальному і мезорегіональному рівнях; (2) його еволюцію у вигляді деформаційного ряду, кожний із членів якого описує сукупність різновікових, але однотипних полів напружень в останньому для досліджуваного об'єму деформаційному циклі; (3) процеси деформування досліджуваного об'єму гірського масиву на основі реконструкції основних параметрів поля сумарних крихких деформацій (орієнтування головних осей деформацій і вид деформації гірського масиву).
Практична цінність роботи полягає у можливості використовувати її основні положення й ілюстративний матеріал щодо параметрів реконструйованого поля напружень і деформацій, кінематики розривів і морфології зсувної зони при прогнозі гірничо-геологічних умов (викидів, гірничих ударів, обвалень) і тектонічної порушеності різних горизонтів шахтного поля, а за значної амплітуди зміщення і визначати положення зміщених частин вугільного пласта.
Перший розділ «СУЧАСНИЙ СТАН ВИВЧЕНОСТІ ГЕОЛОГІЧНОЇ СТРУКТУРИ І ПОЛІВ НАПРУЖЕНЬ ЗАХІДНОГО ЗАМИКАННЯ ГОРЛІВСЬКОЇ АНТИКЛІНАЛІ ДОНБАСУ» містить інформацію щодо історії геологічного вивчення Горлівської антикліналі в рамках вивчення і освоєння Центрального вуглепромислового району і Микитівського рудного поля, геологічної структури і тектонічних полів напружень західного замикання Горлівської антикліналі Донбасу.
Другий розділ, «МЕТОДИ СТРУКТУРНО-ТЕКТОНОФІЗИЧНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ», описує комплекс досліджень, які було проведено для досягнення мети та розв'язання окреслених завдань. Основного акценту зроблено на теоретичних засадах кінематичного методу О. Гущенка і алгоритмі його застосування для реконструкції напрямів дії головних напружень і типу напруженого стану. Кінематичний метод ґрунтується на теорії дислокаційного ковзання Батдорфа–Будянського і використовує взаємозв'язок усієї сукупності дотичних напружень, що діють на по-різному орієнтованих поверхнях в однорідно напружених ділянках середовища, яке деформується, з напрямками дії головних нормальних напружень. Важливою умовою застосовності кінематичного методу є положення про те, що борозни ковзання є слідами останніх (наймолодших) зсувних тектонічних рухів, тоді як сліди більш ранніх рухів або стираються, або мають гіршу збереженість. Реконструкції параметрів тектонічних напружень у локальних об’ємах гірського масиву було здійснено з використанням усієї сукупності заміряних тектонічних сколів і встановлених на їхніх стінках векторів зміщення. Залежно від структурної позиції і умов відслоненості дані об’єднувалися у групи, за якими складися кінематичні стереограми. На мезорегіональному рівні (окремі структурні блоки і шахтне поле загалом), параметри поля напружень відновлювалися як через статистичне оброблення на стереографічній сітці даних локальних реконструкцій, так і аналітично.
Для визначення відносної вікової хронології і стадійності тектонічних напружень використовувався метод тектонічного стрес-моніторингу, який ґрунтується на алгоритмах кінематичного методу і забезпечує можливість виділення синхронізованих між собою безперервних рядів тектонічних напружень. Характеристики головних осей поля сумарних крихких деформацій та полів напружень деформаційного ряду були оброблені за допомогою спеціалізованого програмного забезпечення GEOS.
Третій розділ «ГЕОЛОГІЧНА ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНУ ДОСЛІДЖЕНЬ» містить відомості про геологічну будову західного замикання Горлівської антикліналі Донбасу і поля шахти «Новодзержинська», включаючи стратиграфію, літологію, основні розривні і складчасті дислокації, а також вугленосність і гірничо-геологічні умови.
Четвертий розділ «РЕЗУЛЬТАТИ СТРУКТУРНО-ТЕКТОНОФІЗИЧНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ ЗОНІ ЗАХІДНОГО ЗАМКАННЯ ГОРЛІВСЬКОЇ АНТИКЛІНАЛІ ДОНБАСУ» містить результати аналізу тріщиново-розривних структур, реконструкції поля напружень локального та мезорегіонального рівня, поля сумарних крихких деформацій; визначено структурний парагенезис деформаційних елементів структури західного замикання Горлівської антикліналі і запропоновано механізм їх утворення.
За результатами польових тектонофізичних спостережень і вивчення графічної гірничо-геологічної документації серед тектонічних дислокацій, які визначають геологічну структуру різних ділянок досліджуваної території, можна виділити, по-перше, зсувну зону шириною до 300 м, яка трасується на схід до склепіння Горлівської антикліналі, де об’єднується з Осьовим насувом, і складена серією субпаралельних крутопадаючих розривів північно-західного орієнтування, площина між якими розсічена системою крутопадаючих розривів північно-східного орієнтування. Враховуючи кінематику і просторове орієнтування, ці дві системи розривів (північно-західні праві і північно-східні – ліві скидо-зсуви) можна вважати спряженою парою сколів. По-друге, брахіантиклінальну складку субширотного простягання, крила якої ускладнено субширотними насувами, що падають назустріч один одному. Хоча її не відображено у сучасному ерозійному зрізі, вона стає помітною на глибинах понад 450 м під поверхнею. За своїми розмірами, геометричними параметрами і просторовим орієнтуванням ця складка є подібною до куполоподібних складок Микитівського рудного поля і брахіскладок, розташованим західніше.
Аналіз тріщинно-розривних структур показав, що серед диз’юнктивів переважають крутопадаючі розриви північно-західного і меридіонального простягання, а також пологі північно-західні розриви. Можна стверджувати, що існує певна залежність між просторовою орієнтацією розривів і їхньою кінематикою: за крутопадаючими розривами частіше фіксуються зсувні зміщення (інколи зі скісним зміщенням крил – скидо-зсуви і підкидо-зсуви), причому за північно-західними – праві, за меридіональними і північно-східними – ліві; за пологими північно-західними розривами встановлені насуви.
Осі головних нормальних напружень, стискання 3 і розтягування 1, поля реконструйованого для різних структурних доменів переважно займають субгоризонтальне положення і орієнтовані у північно-західному–південно-східному і північно-східному–південно-західному напрямках відповідно. Сумарне поле тектонічних напружень характеризується наступними параметрами: вісь розтягування 1 полого занурюється у південно-західному напрямку, вісь стискання 3 займає горизонтальне положення і орієнтована у північно-західному–південно-східному напрямках; коефіцієнт Лоде-Надаї μσ, що відображає вид напруженого стану, близький до 0 (зсувний тип поля напружень). Це поле напружень є аналогічним до поля, отриманого для Микитівського рудного поля, що дозволяє стверджувати, що характер поля напружень і тип тектонічних дислокацій у склепінній частині Горлівської антикліналі є витриманими від східних меж Микитівського рудного поля до її західного замикання. За часом свого прояву цей тип поля напружень ототожнюється з ларамійською фазою альпійського тектогенезу, тобто відновлене поле напружень і, отже, відповідні йому деформації – наймолодщі для Донецького басейну.
Спрямований і успадкований характер змінення умов тектонічного навантаження характеризується деформаційним рядом з шести фаз деформування в останньому, наймолодшому для досліджуваного об’єму деформаційному циклі – від найдавнішої (F) скидової до наймолодшої (A) – зсувної. Абсолютні часові інтервали дії цих фаз визначити складно, проте остання фаза А за своїми параметрами синхронізується з наймолодшим, реконструйованим для Донбасу і Приазов’я полем тектонічних напружень.
Реконструйоване поле сумарних крихких деформацій є неоднорідним, орієнтування головних осей поля і вид деформацій змінюються як за площею, так і у межах великих структурних форм. Витриманішим у просторі є орієнтування осі максимального видовження 1, яка на переважній частині досліджуваної ділянки займає пологе положення і орієнтована у південно-західному напрямку. Орієнтування осі максимального укорочення 3 є менш витриманим, особливо за кутом нахилу – від горизонтального до субвертикального. За усередненими параметрами орієнтування головних осей і видом деформування гірського масиву еліпсоїд сумарних крихких деформацій є близьким до еліпсоїду напружень. За величинами коефіцієнту Лоде–Надаї με вид деформування гірського масиву у межах досліджуваної ділянки змінюється від майже одновісного видовження до одновісного укорочення із домінуванням зсувних умов. Деформування гірського масиву контролювалося переважно зсувним, скидо- і підкидо-зсувним механізмами.
Просторові взаємовідносини реконструйованих полів тектонічних напружень і крихких деформацій з основними структурними елементами району тектонофізичних досліджень доводять обумовленість мінливості цих полів наявністю деформаційних елементів, а фрагменти взаємної симетричності поля напружень і деформацій можуть розглядатися як доказ їх генетичного споріднення. Відновленому полю тектонічних напружень симетричні основні деформаційні елементи шахтного поля – спряжена пара зсувів, що формують зсувну зону, субширотні насуви і брахіантиклінальна складка другого порядку, які можна розглядати як єдиний структурний парагенезис, утворення якого було зумовлено правозсувними зміщеннями вздовж системи поздовжніх зсувів приосьової частини Горлівської антикліналі.
П'ятий розділ «ОЦІНКА І ПРОГНОЗ ТЕКТОНІКИ ЗАХІДНОГО ЗАМИКАННЯ ГОРЛІВСЬКОЇ АНТИКЛІНАЛІ ДОНБАСУ» містить інформацію про оцінку і прогноз тектонічної порушеності гірського масиву, прогноз гірничо-геологічних умов з урахуванням особливостей процесу деформування і напруженого стану гірського масиву.
За результатами розрахунку коефіцієнта порушеності можна зазначити, що ступінь порушеності гірського масиву змінюється як за площею – перший структурний блок більш насичений розривними порушеннями, ніж другий, так і у розрізі, у середньому зростаючи від верхніх горизонтів до нижніх.
Відмінність кінематичних планів досліджуваної структури з глибиною полягає в у переважанні пологих розривів субширотного простягання на верхніх горизонтах поля шахти, пологих субширотних і крутопадаючих меридіональних розривів з глибиною і крутопадаючих розривів меридіонального і північно-західного орієнтування на нижніх горизонтах. Виходячи з виявленого взаємозв’язку між просторовою орієнтацією розривів і їхньою кінематикою, На глибших горизонтах поля шахти можна прогнозувати розвиток крутопадаючих розривів меридіонального (ліві) і північно-західного (праві) орієнтування переважно у межах східного домену першого структурного блоку, меншою мірою – пологих субширотних насувів (західний домен).
Враховуючи закономірний зв’язок певних параметрів поля сумарних крихких деформацій і локалізації ділянок розвитку викидів, а саме той факт, що ділянки викидів просторово співпадають з ділянками із зсувним або перехідним – скидо- або підкидо-зсувним – типом поля, де значення значень величини еліпсоїду сумарних деформацій відносно вертикальної координатної осі вищі за одиницю, можна прогнозувати, що площа переважно першого структурного блоку поля шахти є потенційно викидонебезпечною.
У якості ілюстративного прикладу дослідження полів напружень та їхнього впливу на стійкість гірського масиву автор застосував структурно-тектонофізичний аналіз для пояснення причин катастрофічного обрушення безпосередньої покрівлі на видобувній дільниці № 71 вугільного пласта l5 шахти «Новодзержинська».

Нікітенко О.В. Поля напружень і геологічна структура західного замикання Горлівської антикліналі Донбасу : дис. ... доктора філософії : 103 Науки про Землю / наук. кер. В. А. Михайлов. Київ, 2024. 160 с.