Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Изучение и прогнозирование рудных месторождений методом тектонофизического анализа гравитационного поля

ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Изучение и прогнозирование рудных месторождений методом тектонофизического анализа гравитационного поля"

На правах рукописи

$4

ВАНДЫШЕВА КСЕНИЯ ВАСИЛЬЕВНА

ИЗУЧЕНИЕ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ МЕТОДОМ ТЕКТОНОФИЗИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ГРАВИТАЦИОННОГО ПОЛЯ (НА ПРИМЕРЕ УРАЛА)

Специальность 25.00.10 -«Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата геолого-минералогических наук

Екатеринбург - 2015

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет».

Научный руководитель - доктор геолого-минералогических наук,

профессор Филатов Владимир Викторович.

Официальные оппоненты: Слепак Захар Моисеевич, доктор геолого-

минералогических наук, профессор, профессор кафедры геофизики и геоинформационных технологий, Федеральное государственное автономное учреждение высшего профессионального образования «Казанский (Приволжский) федеральный университет»;

Мичурин Антон Владимирович, кандидат технических наук, младший научный сотрудник лаборатории геопотенциальных полей. Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Горный институт Уральского отделения Российской академии наук.

Ведущая организация - Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский государственный национальный исследовательский университет».

Защита диссертации состоится 9 апреля 2015 г. в 14.30 часов в ауд. 3326 на заседании диссертационного совета Д 212.280.01 на базе ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» по адресу: 620144, г. Екатеринбург, ГСП, ул. Куйбышева, 30.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке и на сайте 1чЦр;/'/Чиуи.ursnni.ru/ ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет».

Автореферат разослан 19 февраля 2015 г.

Учёный секретарь > ¡. ] Макаров

диссертационного совета 7 Анатолий Борисович

РОССИЙСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ

БИБЛИОТЕКА _ 2015

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Гравитационная сила — это единственная фундаментальная сила, которая регламентирует перемещение масс в земной коре и сопутствующие явления. Изучение влияния силы тяжести на деформирование геологической среды началось во второй половине 60-х годов XX века. В связи с этим Дж. Деннис (1967) сформулировал понятие «гравитационная тектоника», трактуя её как процесс и результат деформации пород преимущественно силой тяжести. «Сила тяжести, - писал известный специалист по гравитационной тектонике X. Рамберг, - контролирует в какой-то степени почти все типы тектонических процессов и играет главную роль в окончательном образовании многих деформационных структур» (1985).

Идеи Денниса и Рамберга были развиты в работах Филатова (1990) и его учеников Кузнецова (1994); Болотновой (2007); Кадышевой (2012) и др., в которых было показано, что характеристики деформации геологической среды, обусловленные силой тяжести (плотностной неоднородностью среды), могут быть вычислены по результатам измерения силы тяжести. На этой основе был разработан метод тектонофизического анализа поля силы тяжести, применение которого на ряде рудных месторождений Урала позволило установить, что характер деформирования геологической среды в их пределах существенно иной, чем в среде, вмещающей месторождения. Это позволило сформулировать ряд тектонофизических поисковых критериев.

Тагило-Кушвинский железорудный район (ТКЖР) на Среднем Урале является старейшей и крупнейшей сырьевой базой черной металлургии Урала. С начала XVIII века здесь было открыто несколько десятков месторождений и рудопроявлений железа. Среди них такие крупнейшие, как Гороблаго-датское и Северо-Гороблагодатское, Высокогорское, Лебяжинское, Осокино-Александровское, Естюнинское (эксплуатируется до сих пор), Валуевское и др. Феноменальной структурой ТКЖР является гигантская протрузия уль-трабазитов, сформировавшаяся в осевой зоне Главного Уральского разлома. Все месторождения и рудопроявления ТКЖР расположены в восточном эк-эоконтакте этой протрузии. Поэтому актуальной в научно-практическом отношении является задача установления пространственного взаимоотношения поля деформации, создаваемого протрузией, и рудной зоной ТКЖР.

Цель работы заключается в изучении методом тектонофизического анализа гравитационного поля деформационной структуры не отдельного месторождения, а целого железорудного района для определения её характерных черт, опираясь на которые, можно было бы осуществлять прогнозную оценку перспективных территорий.

Для достижения этой цели были решены следующие задачи:

- проанализировано геологическое строение Тагило-Кушвинского железорудного района;

- выполнен количественный анализ аномального поля силы тяжести ТКЖР;

- определена форма, размеры, пространственное положение, плотност-ная характеристика и геологическая природа плотностной неоднородности, обуславливающая аномалию силы тяжести ТКЖР;

- выполнен анализ напряжённо-деформированного состояния и рельефа плотностных границ земной коры Среднего Урала;

- определена причина формирования плотностной неоднородности ТКЖР;

- выполнен тектонофизический анализ поля силы тяжести ТКЖР и У вельской площади, и выявлены характерные черты их деформационных структур;

- дана прогнозная оценка Увельской площади.

Объект исследования. Объектами исследования являются Тагило-Кушвинский железорудный район Среднего Урала и Увельская площадь на Южном Урале.

Предмет исследования. Предметом исследования являются аномальное поле силы тяжести и деформационная структура Тагило-Кушвинского железорудного района и Увельской площади.

Идея работы заключается в том, что деформирование геологической среды в значительной мере определяется её плотностной неоднородностью, а характер деформирования среды определяет пространственное распределение рудной минерализации.

Фактический материал и методы исследования. При выполнении диссертационной работы автором были использованы: результаты площадных и профильных гравиметрических съёмок различных масштабов в виде карт и графиков аномалий силы тяжести в редукции Буге; геологические карты, разрезы и схемы изогипс глубинных границ раздела земной коры Среднего Урала; данные о плотности, трещиноватости и модулях упругости горных пород; результаты измерения напряжений, выполненные на уральских рудниках; фондовые материалы по Увельской площади, геолого-геофизические данные, опубликованные в открытой печати.

В диссертации автор использовала аналитические и численные методы анализа поля силы тяжести и поля деформации: программы решения обратных задач гравиметрии; программу для вычисления компонентов тензора деформации, его главных значений, главных направлений и дилатации; программные средства информационных систем для графического представления результатов тектонофизического анализа.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- впервые на основании результатов интерпретации аномалии силы тяжести дана характеристика размеров, формы, условий залегания плотностной неоднородности ТКЖР. объяснена её геологическая природа как протруэии ультрабачитов;

- доказано, что нарушение гидростатического напряжённого состояния в нижней части земной коры Среднего Урала обусловлено рельефом гранули-то-базитового слоя и рельефом поверхности Мохо, возможной причиной миграции мантийного вещества, из которого сформировалась протрузия уль-трабазитов, является нарушение гидростатического напряжённого состояния земной коры;

- установлено, что поле деформации рудной зоны ТКЖР на всём её протяжении имеет чётко выраженные аномальные характеристики по сравнению с сопредельными территориями, характеристики поля деформации рудной зоны ТКЖР соответствуют аналогичным, ранее установленным характеристикам отдельных месторождений: Березовского золоторудного и Ново-Шемурского медноколчеданного (Кадышева, 2012);

- результаты тектонофизического анализа поля силы тяжести ТКЖР свидетельствуют о едином характере деформирования геологической среды как в пределах отдельных месторождений, так и в пределах рудного района.

Личный вклад автора. Автор лично участвовала в сборе, систематизации, анализе и обобщении фактических материалов (геологических, геофизических, петрофизических и деформационных); самостоятельно, освоив различные программные средства, выполнила интерпретацию аномалий силы тяжести; провела интерпретацию и анализ вычисления компонентов тензора деформации; сформулировала научно-практические выводы, заключение и научные положения диссертационной работы.

Практическая значимость работы:

- деформационные характеристики рудной зоны ТКЖР и ранее установленные деформационные характеристики отдельных месторождений (Березовского золоторудного, Ново-Шемурского медноколчеданного и др.) одинаковы и близки к характеристикам, полученным методами классического тектонофизического анализа, поэтому их можно использовать как поисковые признаки;

- поисковые признаки послужили основой для выполнения прогнозной оценки Увельской площади и свидетельством того что на ее территории вероятно нахождение прожилково-вкралленного оруденения;

- при анализе аномалий поля силы тяжести Увельской площади было установлено, что плотность массива горных пород может существенно отличаться от плотности слагающих пород массива.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены и доложены на: III Всероссийской молодежной научно-практической конференции по проблемам недропользования (Екатеринбург, 2009), II Международной геолого-геофизической конференции и выставки «Тюмень-2009» (Тюмень, 2009), Международной научно-практической конференции молодых ученых и студентов (Екатеринбург, 2009, 2010, 2011), XXXVII и XXXVIII сессиях Международного семинара им. Д. Г. Успенского (Москва, 2010; Пермь. 2011), Международной конференции

й

«Геошформатика: теоретичш та прикладш аспекти» (Киев, 2009), «Неделя горняка - 2010» (Москва, 2010), XXX Российской школе по проблемам науки и технологии, посвящённой 65-летию Победы (Миасс, 2010), Генеральной ассамблее Европейского Союза Геоучёных (Вена, 2011, 2012, 2013). Автор участвовала в выполнении исследований по грантам РФФИ (проект № 10-0500013 и № 13-05-00053).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ, в том числе 5 работ - в рецензируемых научных журналах, входящих в Перечень ВАК Минобрнауки РФ.

Основные защищаемые положения:

- источником плотностной неоднородности нижне-тагильской аномалии силы тяжести в геологическом отношении является протрузия ультрабазитов, вещество которой внедрилось по зоне Главного Уральского разлома в результате нарушения гидростатического напряжённого состояния в нижней части земной коры, обусловленного рельефом гранулито-базитового слоя и поверхности Мохо;

- поле деформации в пределах рудной зоны ТКЖР, обусловленное про-труэией ультрабазитов, является аномальным по деформационным характеристикам по сравнению с сопредельными территориями и обладает признаками, характерными для рудных месторождений: режим растяжения, невысокое значение положительной дилатации (более 120 ед.) и небольшое значение её горизонтального градиента (от 10 до 20 ед./км);

- положение прожилково-вкрапленного оруденения в пределах Увель-ской площади установлено по совокупности деформационных прогнозно-поисковых критериев на основе результатов тектонофизического анализа поля силы тяжести.

Структура и объём диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического списка, содержащего 64 источника. Объём диссертации - 86 страниц машинописного текста, в т. ч. 22 рисунка и 2 таблицы.

Во введении дано обоснование актуальности работы, сформулированы её цель и основные задачи, определены идея, объект и предмет исследования, научная новизна, практическая значимость и основные защищаемые положения.

В первой главе «Очерк геологического строения Тагило-Кушвинского железорудного района» дано на основании опубликованных работ компилятивное описание геологического строения ТКЖР и закономерностей расположения в нём месторождений и рудопроявлений железа.

Во второй г.чаве «Геологические результаты интерпретации нижнетагильской аномалии силы тяжести» рассмотрены методика интерпретации, программа решения обратной задачи гравиметрии, дано описание геометрических характеристик и плотности источника аномалии, изложены причины, приведшие к нарушению гидростатического напряжённою состояния земной

коры и способствовавшие миграции вещества, из которого образовалась про-трузия.

В третьей главе «Тектонофизическая характеристика Тагило-Кушвинского железорудного района по гравиметрическим данным» дано аналитическое описание характера поля деформации рудной зоны ТКЖР, обусловленного протрузией ультрабазитов.

В четвертой главе «Прогнозная оценка медно-порфирового оруденения на Увельской площади по результатам тектонофизического анализа гравитационного поля» дана прогнозная оценка Увельской площади на прожилково-вкрапленное оруденение.

В заключении говорится об основных результатах, достигнутых в процессе работы.

Благодарности. Автор благодарит научного руководителя профессора В. В. Филатова за постановку задачи и постоянную консультационную помощь при выполнении диссертационной работы. Большую и плодотворную помошь в выполнении отдельных разделов диссертации автору оказали инженер-геофизик СГРГП «Пивничгеология» С. И. Гуськов, кандидаты геолого-минералогических наук Л. А. Болотнова, Е, В. Кадышева, Н. С. Кузнецов, А. Ж. Кузнецов, доктор технических наук В. А. Кочнев, доктор физико-математических наук О. А. Хачай, доктор геолого-минералогических наук И. Г. Сковородников, доктор геолого-минералогических наук В. М. Сапожников и другие. Всем им автор приносит свою искреннюю благодарность.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Первое защищаемое положение. Источником плотностной неоднородности нижне-тагильской аномалии силы тяжести в геологическом отношении является протрузия ультрабазитов, вещество которой внедрилось по зоне главного глубинного шва в результате нарушения гидростатического напряжённого состояния в нижней части земной коры, обусловленного рельефом гранулито-базитового слоя и поверхности Мохо.

В 70-х годах XX века в ТКЖР гравиметрической съемкой масштаба 1:50 ООО была закартирована аномалия в поле силы тяжести, плановые размеры которой превышают площадь района. Её максимальная интенсивность без учета регионального фона более 60 мГал. Аномалия в плане имеет форму вытянутого в меридиональном направлении овала, полуоси которого по замкнутой изоаномале 15 мГал равны соответственно 24 и 7 км. Пространственно территория, на которой расположены все месторождения и рудопроявления района в поле силы тяжести, характеризуется восточной градиентной частью аномалии (рис. 1). Геометрические и амплитудные характеристики аномалии, её пространственные взаимоотношения с месторождениями и рудопроявле-ниями стали основанием для изучения её геологической природы.

Рис. 1. Схема изоаномал поля силы тяжести ТКЖР (по материалам Тагильской ГРЭ, 1980)

Условные обозначения: ЕЗ- положительные изоаномалы поля силы тяжести (в условном уровне, в условных единицах), СЗ - нулевые изоаномалы поля силы тяжести (в условном уровне, в условных единицах),

ИЗ - отрицательные изоаномалы поля силы тяжести (в условном уровне, в условных единицах), %- месторождения: 1 - Мысовское, 2 - Половинкинское, 3 - С. Горобла-годатское, 4 - Дальнее, 5 - г. Думная, 6 - Гороблагодатское, 7 - Валуевское, 8 - Воет Валуевское, 9 - Назаровское, 10 - Алферовское, 11 - Рублевское, 12, 13, 14, 15 - Северо-Баронское, 16 - Баронское, 17 - Клюевское, 18 - Жеребцовское, 19 - Южно-Клюевское, 20 - Безымянское, 21 - Хахинское, 22 - Марфинское, 23 - Лагерное,24 - Волчевское, 25 - Естюнинское, 26 - Ново-лебя-жинское, 27 - Лебяжинское, 28 - Андреевское, 29 - Черемшан-ское, 30 - Высокогорское,31 - Мед-норудянское, 32 - Гальянское, 33 - Голый Камень, 34 - Юдихин-ское, 35 - Осокинское, 36 - Александровское, 37-А-5-55, 38-А-6-55, Й - горизонтальные проекции рудных тел.

П.1-6-интерпретационные профили, по которым были построены петроплот-ностные разрезы

По данным Б. Г. Семенова (1981) и В. В. Филатова (1990), источником аномалии является либо двухмерное пластообразное тело, расположенное в осевой зоне главного глубинного шва, имеющее плотность 3,10 г/см3, падающее на восток под углом 50°, нижняя кромка которого залегает на глубине около 12 км; либо трёхмерное тело сложной веретенообразной формы плотностью 3,12 г/см1 и мощностью около 5 км. В районе аномалии самыми плотными геологическими объектами являются небольшие тела габбро и пи-роксенитов, образующие так называемую группу Баранчинских ультрабази-товых тел (Геология СССР, 1969). Поэтому было предположено, что эти тела представляют собой фрагментарные выходы на уровень эрозионного среза плутона ультрабазитов, являющегося источником аномалии.

Оба варианта интерпретации противоречивы, а их авторы не дали ответа на вопросы о том, как сформировалось интрузивное тело из мантийного

вещества вблизи поверхности земли и в каком отношении оно находится с рудной зоной Тагило-Кушвинского района. В связи с этим была повторно выполнена интер-претация аномалии силы тяжести с использованием пакета программ АОв-ЗО (Кочнев 1993, 2001). В результате интерпретации (рис. 2) было установлено, что плот-ностная неоднородность вытянута в меридиональном направлении, и ее размеры по простиранию определены в 15 км; размеры неоднородности в крест ее простирания переменные; наибольшую ширину, равную 7 км, она имеет в средней части, а к ди-стальным частям происходит её выклинивание; в центральной части неоднородность состоит из двух фрагментов, разделенных узкой зоной пониженной плотности; до глубины около 5 км западный и восточный конта-ты неоднородности с вмещающей средой являются субвертикальными; основная масса неоднородности находится в интервале глубин от 0 (дневная поверхность) до 5 км; на глубине более 5 км происходит резкое уменьшение горизонтальной мощности неоднородности и её выклинивание; место выклинивания совпадает с осевой линией глубинной шовной зоны; установлено, что плотность вещества в пределах неоднородности непостоянна; наибольшей плотностью (3,40-3,44 г/см3) характеризуется центральная часть неоднородности, к её периферии плотность уменьшается до 3,10-3,12 г/см3; в западной части плотность убывает быстрее, чем в восточной,

Профиль 1

2.38 2.49 2.59 2.70 2.81

шкала раскраски

УсмЭ

3,02 '3.12 '3.23 '3.34 'з,44

Рис. 2. Плотностная модель плутона ультрабазитов по широтным профилям

Лр=0.10 г/см3

Др=-0.40г/см3

130 140 150 160 х.км -----1 '—»

/,к»Г

Условные обозначения:

аппроксимация рельефа плотностной границы параболоидом,

- фактическая линия рельефа,

- контур протрузии;

- осевая линия главной шовной зоны (Главный Уральский разлом)

Рис. 3. Модель коры Среднего Урала (а) и результаты вычисления касательных напряжений (б)

сЫХ.

Ж

х:

следовательно, можно предположить, что вблизи западного контакта и вблизи восточного физико-геологическая обстановка формирования неоднородности была различной.

Сопоставление структурно-тектонической позиции плотностной неоднородности (Берлянд, ¡993), своеобразие ее формы, плотности вещества и других данных позволяют сделать вывод, что в геологическом отношении она представляет собой протрузию ультрабазитов, сформировавшуюся в зоне главного глубинного шва из мантийного вещества в результате его перемещения под действием глубинного давления к поверхности земли. Причиной перемещения мантийного вещества явилось нарушение гидростатического напряженного состояния в низах коры, обусловленное рельефом гранулито-базитового слоя и поверхности Мохо. Известно (Трубицын и др., 1979, 1982), что различные формы рельефа внутрикоровых границ, при переходе через которые плотность изменяется скачкообразно, создают выше и ниже границ напряжения, нарушающие гидростатическое напряженное состояние.

Поверхность Мохо осложнена погружением амплитудой 10 км, кровля гранулито-базитового слоя - выпуклостью амплитудой 10 км. Скачок плотности при переходе через поверхность Мохо составляет 0,40 г/см', через кровлю гранулито-базитового слоя — 0,10 г/см3 (Берлянд, Ананьева и др., 1982). По этим данным была построена схематическая модель коры Среднего Урала (рис. 3). Из расчетов следует, что касательные напряжения верхней плотностной неоднородности увеличиваются к дневной поверхности от 7 до 10 МПа; нижней — уменьшается от 40 до 30 МПа. Их разность будет способствовать нарушению гидростатического напряженного состояния в коре от её низов до дневной поверхности, т. е. равновесию в среде, и обеспечивать условия для миграции мантийного вещества к дневной поверхности и формированию протрузии ультрабазитов.

Второе защищаемое положение. Поле деформации в пределах рудной зоны ТКЖР, обусловленное протрузией ультрабазитов, является аномальным по деформационным характеристикам по сравнению с сопредельными территориями и обладает признаками, характерными для рудных месторождений: режим растяжения, невысокое значение положительной дила-тации (более 120 ед.) и небольшое значение её горизонтального градиента (от 10 до 20 ед./ки).

Все известные в пределах ТКЖР рудопроявления и месторождения железа расположены восточнее протрузии в узкой зоне, которая вытянута в меридиональном направлении параллельно восточной границе протрузии. Северная и южная границы рудной зоны находятся соответственно на уровне северной и южной широт дистальных частей протрузии. Самым северным в этой зоне является Мысовское скарново-медное месторождение, а самым южным - Юдихинское скарново-магнетитовое. За пределами этих границ

* — r—

«—• s* s * - —

*********** y y y

y y X • r»*

y * f .

y 4P ✓ * 1 л-

s s s у s * r 1 *

у S s S ^ * « H 1 +

s s S S X ЛГ к 1 *

У У S rV X X ! *

* У s X y J +

У У Jf S ¿s X У / / «

О 5 10 15 20 25 30 Условные обозначения: У - контуры рудоносной зоны, определенные по характеру деформаций: а — по изменению величины и направленна е^иег, 6- по изменению величины ез; в - по изменению днлатации 0; | > | - месторождения: 1 - Мысовосое. 2 - С.-Горобдагодатакое, 3 - Валуаское, 4 - Осокино-Алехсандровское, 5 - Северо-Баронсхое, 6 - Еспонинсхое, 7 - Лебяжинсхое, 8 - Высокогоросое, 9 - Юдихянское; I * I-рудопроявления; I«--* |- деформация распжгив«; - деформация сжатия.

Рис. 4. Результаты тектонофизического анализа Тагило-Кушвинского железорудного района (ТКЖР)

рудопроявления и месторождения не установлены. Это даёт основание полагать, что между протрузией и рудной зоной существует связь.

Для выявления этой связи и был выполнен тектонофизический анализ поля силы тяжести на всю территорию ТКЖР. С помощью программы R.UMD (Овруцкий, Гуськов, 2005), а также результатов измерения силы тяжести на поверхности Земли, данные о форме протрузии и физические свойства её вещества в узлах квадратной сети размером 500x500 метров, расположенных на дневной поверхности, принимаемой за горизонтальную плоскость, были вычислены главные значения тензора чистой деформации e¡, е2, е3, определена ориентировка главных осей деформации и вычислено значение первого инварианта тензора - дилатация 0 = е, + е2 + (рис. 4, а, б, в).

Поскольку деформация геологической среды обусловлена силой тяжести, которая направлена по линии отвеса, т. е. перпендикулярно к поверхности Земли, то третье главное направление ориентировано так же. Поэтому два других главных направления лежат в плоскости, перпендикулярной третьему главному направлению.

Характеристика главных значений деформации, дилатации и ориентировка главных направлений существенно различны над протрузией и над геологической средой восточнее протрузии.

Средняя плотность ультрабазитов превышает среднюю плотность вмещающих её пород на 0,40-0,45 г/см3. Протрузия, образно говоря, как более плотный объект, «тонет» в геологической среде, увлекая её за собой. Благодаря этому непосредственно над протрузией главная деформация представляет собой растяжений, а деформации et и е2 - сжатие. Глубина залегания верхней границы протрузии различна. В средней части ТКЖР она выходит на уровень эрозионного среза, образуя так называемую Баранчинскую группу ультрабазитовых тел. С приближением к дистапьным частям протрузии происходит плавное погружение её кровли. Поэтому наибольшей величины главные значения деформации достигают в средней части железорудного района, а к северу и югу они постепенно уменьшаются. Вытянутость протрузии в субмеридиональном направлении обусловливает ориентировку первого главного направления в основном в субширотном направлении, а второго, соответственно, в субмеридиональном. При этом величина e¡ не просто больше, а значительно больше а2. Если главное значение е, повсеместно является сжатием, то главное значение е2 с приближением к северному и южному концам протрузии испытывает инверсию знака и становится растяжением небольшой величины.

Дилатация, обусловленная протрузией, отрицательная, т. е. среда над протрузией находится в режиме сжатия. Наибольшей величины дилатация достигает в области её выхода на уровень эрозионного среза. К дистальным частям протрузии дилатация убывает, оставаясь отрицательной. На фоне убывания есть несколько локальных участков, в пределах которых дилатция имеет высокие значения. Это указывает на то, что плотность ультрабазитово-го вещества неодинакова по простиранию протрузии, в пределах которой

участки повышенной плотности чередуются с участками менее плотных пород. В поле силы тяжести и в пространственном изменении главных значений е\ и б2 эта закономерность проявляется не так однозначно. Изменчивость дилатации может свидетельствовать о сложном процессе формирования протрузии: либо она образовалась в несколько этапов (по числу локальных участков повышенной дилатации), либо миграция мантийного вещества, из которого она состоит, происходила в зоне глубинного разлома по нескольким каналам.

С удалением от протрузии к востоку характер деформации существенно изменяется.

Во-первых, происходит смена знака дилатации. Дилатация в той части ТКЖР, в которой находятся месторождения и рудопроявления (рудная зона), становится положительной, т. е. геологическая среда здесь деформировалась в режиме растяжения. Область максимальных положительных значений дилатации (более 120 условных единиц) шириной около 5 км протягивается параллельно протрузии в северо-северо-западном направлении. Рудопроявления почти равномерно распределены в пределах этой области. Месторождения расположены западнее и восточнее осевой линии этой области. Дилатация здесь характеризуется относительно невысоким значением горизонтального градиента, величина которого изменяется от 10-15 до 20 условных единиц на 1 км.

Во-вторых, в пределах рудной зоны происходит изменение величин главных значений деформации е, и е2 н ориентировок главных осей деформации. Главное значение ех становится положительным, т. е. растяжением. Главное значение е2, имея малую величину по сравнению с еь почти повсеместно остаётся отрицательным и только южнее Гороблагодатского месторождения меняет знак на противоположный. Восточнее линии наибольших значений дилатации режим деформации стабилизируется как по величине и знаку главных значений деформации, так и по ориентировке главных направлений. Главные значения становятся положительными. Величина е\ много больше величин е2 и е3. Первое главное направление на большей части ТКЖР имеет субширотную ориентировку. Только на севере района оно является восточным-северо-восточным, а на юге - восточным-юго-восточным.

Из описания качественных результатов тектонофизического анализа гравитационного поля следует, что в пределах всей рудной зоны деформация характеризуется вполне определёнными и устойчивыми свойствами, которые могут быть сформулированы следующим образом: резкая изменчивость величин главных значений деформации и направлений главных осей по сравнению с соседними территориями; главные значения е\ и е2 представляют растяжения; относительно невысокий уровень положительной дилатации и её малый горизонтальный градиент; месторождения в рудной зоне находятся западнее и восточнее узкой полосы, характеризующейся относительно высоким значением положительной дилатации (более 120 условных единиц).

Такой деформационный режим был создан и поддерживается в течение длительного времени существования протрузии (около 460 млн. лет) и других крупных плотностных неоднородностей района. Он способствовал улучшению проницаемости геологической среды (растяжение, положительная дилатация), и тем самым создавались благоприятные предпосылки для рудо-образования именно в этой части ТКЖР.

Третье защищаемое положение. Положение прожилково-вкрапленного оруденения в пределах Увелъской площади установлено по совокупности деформационных прогнозно-поисковых критериев на основе результатов тектонофизического анализа поля силы тяжести.

Опыт применения метода тектонофизического анализа гравитационного поля для изучения характера деформирования геологической среды в пределах Берёзовского золоторудного и Ново-Шемурского медно-колчеданного (Кадышева, 2012) и железорудных месторождений Тагило-Кушвинского района позволил установить несколько закономерностей: главные значения деформации и ориентировка главных осей деформации в пределах месторождений характеризуются резкой изменчивостью по сравнению с соседними территориями; главные значения деформации е[ и е2 на месторождениях являются растяжениями; дилатация 9 (относительное изменение объёма деформируемой среды) на месторождениях имеет относительно невысокое положительное значение и малый горизонтальный градиент; месторождения находятся на периферии областей с высокими положительными или отрицательными значениями дилатации 0. На основании этих признаков, была дана прогнозная оценка на медно-порфировое оруденение на Увельской площади по результатам, выполненного здесь геологического доизучения и поисков в масштабе 1:50 ООО (ГДП - 50).

Исследуемая территория находится в пределах Восточно-Уральского поднятия. В её строении участвует эффузивный комплекс нижнего силура, вулканогенно-осадочные образования от нижнесилурийского до нижнедевонского возраста и терригенные образования нижнего карбона. Среди этих пород залегает несколько близких по составу гранитных массивов: Ново-Украинский, Каменский и Чернореченский. Плотность вещества массивов меньше плотности вмещающих пород на 0,25 - 0,30 г/см3. Поэтому в поле силы тяжести массивы картируются отрицательными аномалиями интенсивностью более -4 мГал.

Гравиметрической основой для выполнения тектонофизического анализа послужила карта изоаномал силы тяжести в редукции Буге масштаба 1:50000. Результаты гравиметрической съёмки были пересчитаны в узлы квадратной сетки размером 500*500 метров. В дальнейшем в этих же узлах выполнялось вычисление компонентов вектора смещения, а затем и компонентов тензора чистой деформации. Результаты вычисления главных значений деформации приведены на рис. 5. Они дают представление о характере деформирования геологической среды.

< f ? Г г г

í i i t i i •*' Г

i i f i Г J-'jí

: f f ?

+f

Условные обозначения: | «I |- положение скважин и их номера;

' котУРы гранитных массивов: К- Каменский, Ч - Чернореченский, Н-У - Ново-Украинский; |«ш! | - эпицентр аномалии вызванной поляризации;

_____ - линия профиля детальной гравиметровой

и магни)гаой съемок; | ^ | - деформация растяжения; и"" I - граница деформационных зон; .__..•' | - граница перспективного участка;

- изолинии положительной дилатации и их оцифровка;

- изолинии отрицательной дилатации и их оцифровка

2_Зш

Рис. 5. Результаты тектонофизического анализа гравитационного поля Увельской площади: а - поле растягивающих деформаций е\ и б - поле сжимающих деформаций е3 (изолинии оцифрованы в относительных единицах п-10"5); в - результаты вычисления дилатации в

(изолинии оцифрованы в относительных единицах п- Ю-5)

В региональном отношении деформация геологической среды носит зональный характер, представляя собой чередование линейно вытянутых в северо-западном направлении зон с преимущественным развитием в них либо деформаций растяжения е\ и е2, либо деформации сжатия е3. Каждая из зон имеет и свой характер дилатации: в первой зоне она преимущественно положительная; во второй - отрицательная в северной части, переходящая на юге в положительную; в третьей — положительная; в четвёртой — высокая отрицательная. В прогностическом отношении наибольший интерес представляют районы перехода от одной зоны к другой, поскольку именно здесь проявляются сформулированные выше деформационные критериальные признаки месторождений.

Деформация геологической среды в районах Каменского и НовоУкраинского массивов, находящихся в первой и третьей зонах, однотипная. В характере деформации здесь проявляется эффект «всплывания» массивов. Вытянутость массивов в меридиональном направлении обусловливает ориентировку растягивающих деформаций в широтном (еО и меридиональном (е2) направлениях. Наибольшее значение деформаций е\ и е2 наблюдается в осевой части массивов. К контактам массивов с вмещающими породами они закономерно убывают. Форма западных контактов более сложная, чем восточных. Поэтому деформации е\ и е2 здесь и по величине, и по направлению отличаются большей изменчивостью. Благодаря этому, как показали геологические наблюдения, вмещающие породы западнее массивов сильнее нарушены разрывами различных типов. Восточнее массивов деформация характеризуется незначительной изменчивостью: главное значение е{ много больше е2 и направлено оно субширотно.

Чернореченский массив имеет сложную форму в плане и в разрезе. Область наибольших растягивающих деформаций в\ и е2 смещена относительно его оси простирания к востоку. Вмещающие породы здесь также осложнены большим количеством разрывов. Об этом свидетельствуют результаты бурения скв. 1 в одном километре к востоку от массива. На всей глубине скважины (около 200 м) установлено, что породы в ней сильно разрушены; объём трещинного пространства оценён в 12,3 %. При такой доле трещинной пу-стотности первоначальная плотность пород должна уменьшиться на 0,34 г/см3, т. е. плотность вмещающих пород, изменённая трещиноватостью, должна быть близка плотности гранитов.

В южной части Чернореченского массива и в районе, примыкающем к нему с востока, были выполнены измерения силы тяжести по профилю. Эти измерения показали, что восточный крутопадающий контакт массива с вмещающей толщей в аномальном поле силы тяжести не проявляется, хотя скачок плотности при переходе через него составляет около 0,30 г/см3. Интерпретация аномалии показала, что её источником является плотностная неоднородность с дефектом плотности около 0,31 г/см'. Следовательно, в геолого-петрографическом отношении плотностная неоднородность состоит из части гранитного массива и части примыкающих к нему вмещающих пород.

разуплотнённых трещиноватостью до плотности гранитов. Исходя из результатов интерпретации следует, что такой дефект плотности может быть достигнут при относительном изменении объёма вмещающих пород на 11 %. Эта оценка близка к той, что получена по результатам изучения трещинной пустотности в скв. 1. Развитие под действием силы тяжести трещиноватости во вмещающих породах «стёрло», таким образом, плотностную границу между ними и гранитным массивом.

В районе скв. 1, а также на север от неё вдоль восточного контакта Чер-нореченского массива и, особенно, на юг, к Ново-Украинскому массиву, величина деформации сжатия е3 мала. Деформации растяжения е, и е2, напротив, значительные. Такой режим деформирования создаёт благоприятные предпосылки для развития трещиноватости и увеличения её во времени в условиях стабильного существования плотностных неоднородностей - гранитных массивов. Примеры изменения величины деформации горных пород во времени показывают, что в приповерхностных условиях при всестороннем неравномерном напряжённом состоянии в результате пластического течения деформация увеличивается значительно и дилатация может достигать 10-20% и распространяться на большой объём геологической среды. Области развития разуплотнённых пород в этом случае представляют собой гитотностные неоднородности, создающие отрицательные локальные аномалии силы тяжести интенсивностью в несколько мГал. Разуплотнение в 1112%, установленное в районе скв. 1, является реально достижимым, хотя первоначально вычисленное упруго-мгновеннное значение дилатации не превышает здесь 10°.

Тектоническая нарушенность геологической среды, обусловленная силой тяжести, имеет благоприятное значение для процессов рудообразования. На Увельской площади путём дешифрирования аэроснимков и геофизическими методами было закартировано большое количество разрывных нарушений. Для прогнозирования представляют интерес вопросы о типе нарушений и роли силы тяжести в их образовании. Для этого было выполнено сопоставление ориентировок нарушений с ориентировками главных осей деформации, поскольку последние связаны с направлениями, по которым могут развиваться нарушения различного кинематического типа - отрывы и сколы.

Сравнительный анализ роз-диаграмм ориентировок возможных дислокаций отрыва, перпендикулярных первой и второй главным осям деформации, ориентировок дислокаций сдвигового типа в их сопоставлении с розой-диаграммой направлений нарушений, установленных по результатам дешифрирования аэроснимков и геофизическими методами, показал, что разрывные нарушения имеют две ориентировки с углами: 34 - 55° и 325 -345°; возможные дислокации отрыва, перпендикулярные первой главной оси, ориентированы субширотно по азимутам 185 - 85°; возможные дислокации отрыва перпендикулярные второй главной оси ориентированы субмерилионально по азимуту 350"; возможные дислокации сдвигового типа ориентированы под углами 45 и 315й. Из сопоставления азимутов ориентировок возможных и

действительных дислокаций следует, что реальные дислокации на Увельской площади имеют в основном сдвиговый (сколовый) механизм образования и в меньшей мере развиты дислокации отрывного типа. Такие дислокации радиальной ориентировки, образованные в результате растяжения, геологически установлены в двух километрах южнее скв. 1. На территориях, примыкающих к Увельской площади, в радиальных системах трещин отрыва формировалась золоторудная минерализация. В основном же в режиме растяжения под действием силы тяжести, как показали результаты изучения керна скв. 1, образовывались микротрещины отрыва.

Первая и третья деформационные зоны разделены второй, северная часть которой характеризуется наибольшей деформацией сжатия (е5), минимальными - растяжения (<?|, е2) и значительной отрицательной дилатацией (9). От эпицентра северной части второй зоны происходит постепенное уменьшение е3, увеличение и изменение ориентировок е( и е2, а дилатация становится положительной. Породы в этой части площади обладают наибольшей плотностью и наименьшей проницаемостью.

Анализ результатов вычисления главных значений и главных направлений деформации и дилатации совместно с данными изучения трещиновато-сти геофизическими методами и путём дешифрирования аэроснимков показал, что гранитные массивы, находящиеся на Увельской площади, могут создать такое напряжённо-деформированное состояние, при котором в геологической среде возможно образование разрывов различного масштаба и кинематического типа, способных в массе своей изменять её проницаемость, т. е. создавать благоприятные предпосылки для рудоотложения.

Таким образом, в прогностическом отношении наиболее перспективной является кольцевая зона, охватывающая с востока, юга и запада район, характеризующийся интенсивной отрицательной дилатацией (рис. 5). Ширину этой зоны можно оценить по величине расстояния между скв. 2 и скв. 3, проницаемость геологической среды в которых, по данным гамма-каротажа, существенно различна. Характер деформации в пределах зоны полностью соответствует сформулированным выше прогностическим критериям. Поэтому любой её фрагмент (или вся она) в равной мере перспективен на обнаружение рудного объекта.

Прямым геолого-геофизическим подтверждением обоснованности сделанного прогноза служит, во-первых, аномалия вызванной поляризации (ВП), установленная в западной части кольцевой зоны. Интенсивность этой аномалии около 1,5 %. Изучение района аномалии показало, что она обусловлена прожилково-вкрапленным оруденением, развитым по трещинам отрыва. Во-вторых, севернее района интенсивной отрицательной дилатации, т. е. за контуром Увельской площади, ранее буровыми работами было вскрыто Урманское медно-порфировое рудопроявление. В связи с этим можно предположить, что Урманское рудопроявление и кольцевая зона, с выявленным в её пределах прожилково-вкрапленным оруденением, представляют

собою единую рудную структуру, отвечающую всем деформационным поисковым критериям.

Заключение. Основными результатами исследований, выполненных в диссертационной работе, являются:

- впервые установлена геологическая природа источника нижнетагильской аномалии силы тяжести, дана его плотностная и геометрическая характеристика, свидетельствующие о сложном процессе его формирования;

- обоснован механизм формирования протрузии ультрабазитов, вещество которой мигрировало по зоне главного глубинного шва из низов коры в результате нарушения гидростатического напряженного состояния;

- показано, что причиной нарушения гидростатического напряженного состояния нижней части коры являются положительные и отрицательные формы рельефа гранулито-базитового слоя и поверхности Мохо;

- установлена пространственная деформационная связь плутона ультрабазитов и зоны, в которой находятся рудопроявления и месторождения ТКЖР;

- деформационная структура рудной зоны ТКЖР обладает такими же свойствами, как и ранее установленные свойства деформационных структур отдельных месторождений различного генетического типа, и поэтому эти свойства можно использовать для прогнозирования рудных месторождений;

- впервые на основании результатов тектонофизического анализа поля силы тяжести, и деформационных прогностических критериев, дана прогнозная оценка на прожилково-вкрапленное оруденение Увельской площади на Южном Урале.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Статьи, опубликованные в рецензируемых научных журналах, входящих в Перечень ВАК при Минобрнауки России:

1. Вандышева К. В., Кадышева Е. В., Филатов В. В. Проявление временных деформаций геологической среды в аномалиях гравитационного поля //Изв. вузов. Горный журнал. 2011. №3. С. 126 - 130.

2. Вандышева К. В., Кадышева Е. В. Опыт тектонофизического анализа гравитационного поля рудных районов Урала //Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). М.: Изд-во «Горная книга». 2012. №8. С. 139- 142.

3. Вандышева К. В., Филатов В. В. Гравитационная тектонофизика Та-гило-Кушвинского железорудного района//Изв. вузов. Горный журнал. 2013. №5. С. 150- 154.

4. Вандышева К. В., Филатов В. В. Деформационная характеристика Естюнинского железорудного месторождения по гравиметрическим данным //Изв. вузов. Горный журнал. 2013. №6. С. 151 - 156.

5. Филатов В. В.. Вандышева К. В. Прогнозирование медно-порфирового рудопроявления на Увельской площади по результатам тектонофизического

анализа гравитационного поля //Изв. вузов. Горный журнал. 2014. №.5. С. 133-140.

Статьи, опубликованные в других журналах, научных сборниках и в материалах конференций:

6. Вандышева К. В., Кадышева Е. В., Филатов В. В. Тектонофизический анализ гравитационного поля: идея, теория, методика и геологические результаты //Теоритичш та прикладш аспекти геошформатики: Материалы VIII Международной конференции «Геошфоматика: теоретичш та прикладш аспекти» (м. Кшв, 24-27 марта 2009 г.). Кшв, 2010. С. 62 - 75.

7. Болотнова JT. А., Вандышева К. В., Кадышева Е. В. Тектонофизиче-ская интерпретация аномалий поля силы тяжести на примере рудных месторождений Урала // Вопросы теории и практики геологической интерпретации гравитационных, магнитных и электрических полей: Материалы XXXVII сессии Международного семинара им. Д. Г. Успенского (г. Москва, 25-29 января 2010 г.). М.: ИФЗ РАН, 2010. С. 70 - 75.

8. Новые технологии изучения напряженно-деформированного состояния геологической среды методом тектонофизического анализа поля силы тяжести/ JT. А. Болотнова. К. В. Вандышева, Е. В. Кадышева. В. В. Филатов// XXX Российская школа по проблемам науки и технологий, посвященная 65-летию Победы (г. Миасс, 15-17 июня 2010 г.). Екатеринбург: УрО РАН, 2010. С. 224-226.

9. Вандышева К. В.. Кадышева Е. В.. Филатов В. В. Дилатация геологической среды и её отражение в гравитационном поле //Вопросы теории и практики геологической интерпретации геофизических полей: Материалы XXXVIII сессии Международного научного семинара им. Д. Г. Успенского (г. Пермь. 24-28 января 2011 г.). Пермь: ГИ УрО РАН, 2011. С. 52 - 53.

10. Studying of nonlinear deforming processes of geological environment by gravimetic means // K. Vadysheva, V. Phylatov // Geopysical Research Abstrakls. Vol. 13, EGU 2011-651. 2011 EGU General Assambly 2011 [Электронный ресурс]. Режим доступа к сборн.: //www.copernicus.org. 208.

11. Вандышева К. В., Филатов В. В. Влияние тектонических напряжений на формирование протрузии ульграбазигов // Изв. Урал. гос. горного ун-та. 2012. Вып. 27/28. С. 53 -59.

12. Вандышева К. В. О геологической природе Нижне-Тагильской аномалии силы тяжести // Изв. Урал. гос. горного ун-та. 2012. Вып. 27/28. С.59 -65.

13. Role of tectonic in formation of protrusion // K. Vandysheva, V. Phylatov // Geophysical Resrarch Abstrakts Vol. 14, EGU2012-6I7. 2012 EGU General Assambly. 2012 [Электронный ресурс]. Режим доступа к сборн.:// www.copernicus.org.

14. Estyninsky's Deformation Characteristics of the Iron-Ore Deposit by Gravimétries Means// K. Vandysheva, V. Phylatov// Geopysical Resrarch Abstract. Vol. 15,EGU20I3-I615, 2013. EGU General Assambly 2013. [Электронный ресурс]. Режим доступа к сборн.: // www.copernicus.org.

Подписано в печать 29 января 2015 г. Формат 60*84 1/16. Бумага офсетная. Печать на ризографе. Печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ Отпечатано с оригинал-макета в лаборатории множительной техники УГГУ 620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30 ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»

2014357040