книги из ГПНТБ / Туговик, Г. И. Эксплозии и рудный процесс

Т а б л и ц а 7

Плотность кристаллических пород и отвечающих им искусственно полученных стекол. По Р . Д ели

Зная коэффициенты усадки отдельных минералов и исходя из ■ типичного минерального состава различных горных пород, можно рассчитать для последних средние коэффициенты усадки в про­

ского (устное сообщение), уменьшение объема породы (на 5,5%) связано с переходом ß-кварца в а-кварц при температуре 575° С,

•что может иметь место в качестве дополнительного фактора у кис­ лых пород. Вполне естественно, что за счет подобной усадки может осуществляться перемещение материала в канале рудоносного брекчиевого эксплозивного сооружения и его ближайшем окруже­ нии. Рассмотрим подробнее этот случай.

На стенки магматического резервуара, кровля которого нахо­ дится на какой-то глубине от поверхности, действуют разнообраз­ ные силы. Для простоты рассуждения остановимся лишь на яв­ лениях, происходящих в магматической камере после ее выполне­ ния, хотя сам процесс довольно сложен и, как правило, обязан подземным эксплозиям. Наиболее простым случаем будут первич- но-протокластические интрузии, кристаллизация которых начи­ нается после заполнения магматической камеры. При внедрении расплава в верхние горизонты земной коры его поступательное движение будет продолжаться до тех пор, пока гидростатическое давление магмы не будет уравновешено давлением (и механическим ■ сопротивлением) вмещающих пород.

Предположим, что кровля магматического резервуара находится на глубине 2 км. После заполнения расплавом магматической ка­ меры давление магмы у кровли равно давлению вышележащего столба пород (около 540 бар). При плотности расплава, равной

170

0,0024 кг/см3, гидростатическое давление его на глубине 1 км от кровли магматической камеры (т. е. в 3 км от поверхности) со­ ставит 540 + 240 = 780 бар, на глубине 2 км от кровли 540 + 480 = = 1020 бар и т. д. В то же время во вмещающих породах на глу­ бине 3 км от поверхности вертикальное давление равно 810 бар, а боковое 270 бар. Таким образом, породы боковой стенки камеры находятся в условиях трехосного сжатия. Максимальным будет напряжение, обусловленное нагрузкой вышележащих пород, про­ межуточным— вызванное гидростатическим давлением магмы, минимальным — боковое давление в плоскости, параллельной кон­ такту, обусловленное боковым расширением горных пород, про­ исходящим в результате вертикальной нагрузки. Так как величина промежуточного давления не влияет на прочность горных пород, можно предположить, что некоторое изменение давления со сто­ роны магмы отразится на прочности боковых стенок магматиче­ ского резервуара. Наоборот, за счет ориентированного давления, направленного со стороны более напряженных вмещающих пород к центру магматического резервуара, может происходить брекчиеобразование в результате явлений так называемых «внезапных выбросов».

Катастрофические внезапные выбросы часто возникают в под­ земных выработках, пройденных в крепких породах, вследствие чего происходит образование брекчий отслаивания. Глубина, на которой они начинаются, различна, но обычно превосходит 300 м.

выточены цилиндрические отверстия, гидростатическому давлению до 7000 кг/см2. При этом были установлены нарушения типа вне­ запных выбросов: размеры цилиндрических полостей увеличива­ лись и они заполнялись обломками различных форм и размеров, отслаивающихся от стенок полостей. При увеличении давления частота отрывов и скорость движения обломков возрастали. При откалывании не наблюдалось связи границ обломков с кристалло­ графическими элементами образцов.

В. В. Белинский (1970) пришел к выводу, что процесс брекчиеобразования обусловлен газовыми струями. На верхних горизон­ тах эти струи могут производить брекчированне, подобно про­ цессу «шелушения», который наблюдается при резке каменных блоков раскаленной газовой струей. За счет различных коэффици­ ентов линейного расширения слагающих породу минералов при нагреве происходит откалывание поверхности кусков породы («ше­ лушение») без ее расплавления и изменения структуры.

Наиболее подвижным элементом является водород, особенно когда он находится в ионизированном состоянии. При дегазации магматического очага на верхних горизонтах роль водорода может замещать вода. Легко ионизирующимися присадками служат ка­ лий, натрий и другие щелочи, важная роль которых зафиксиро­

171

вана при образовании почти каждого рудоносного брекчиевого эксплозивного сооружения.

В дальнейшем в кровле магматической камеры напряжения имеют существенно иной характер. Породы кровли своим весом давят на расплав, заполняющий камеру. В случае падения гидро­ статического давления в камере кровля потеряет опору и под си­ лой собственного веса будет стремиться переместиться вниз. При этом в краевых частях блока пород кровли возникают напряжения сдвига или изгиба. Как отмечалось, прочность горных пород на изгиб и сдвиг значительно меньше, чем на раздавливание. Нали­ чие всестороннего сжатия, резко повышающего прочность пород на раздавливание, сравнительно мало влияет на их прочность по отношению к деформации сдвига. Даже небольшое падение гид­ ростатического давления расплава в камере приведет к деформа­ ции толщи пород кровли и в то же время, если стенки находятся в равновесии, мало отразится на их прочности.

Из сказанного следует, что магматическая камера изометричной формы подобна сосуду с прочными боковыми стенками и ма­ лопрочной (эластичной пли хрупкой) кровлей. Иными словами, процессы, происходящие при кристаллизации расплава в огромных магматических резервуарах, во многом аналогичны явлениям, воз­ никающим при кристаллизации вещества из расплава в обычном открытом сосуде (Орлов, 1963).

Д . М . Орловым были поставлены опыты, характеризующие яв­ ления усадки при кристализации расплава в сосудах различной формы. Наиболее удобным для моделирования оказались парафин и нафталин, коэффициенты усадки которых составляют 12— 14%, т. е. вполне сопоставимы с таковыми у ряда породообразующих и изверженных пород (см. табл. 6 и 7).

При кристаллизации парафина в открытом широком сосуде в том случае, если высота сосуда значительно меньше его диа­ метра, усадка выражается в равномерном понижении уровня кри­ сталлизующегося вещества, и лишь у стенок сосуда наблюдается появление вогнутого мениска (рис. 4 5 ,а). Если высота сосуда достаточно велика и охлаждающее влияние стенок значительное, при кристаллизации в центральной части парафиновой отливки фор­ мируется чашеили воронкообразное углубление (рис. 45,6). Воз­ никновение его обусловлено оттоком еще жидкого вещества к стенкам сосуда, от которых начинается кристаллизация. Верх­ ний слой уже закристаллизованного парафина пластически дефор­ мируется силой атмосферного давления. Если кристаллизую­ щееся вещество не пластично, возникшая на поверхности расплава твердая корка взламывается и чашеили воронкообразное углуб­

172

сообщающемся с резервуаром расплавленного парафина, наблю­ даются следующие явления. В начале кристаллизации вследствие уменьшения объема вещества в верхнем сосуде (рис. 45, г) рас­ плавленный парафин из нижнего резервуара атмосферным давле­ нием загоняется в верхний сосуд. Это видно по положению уровня расплавленного парафина в нижнем сосуде. Еще лучше процесс наблюдается, если парафин в нижнем резервуаре подкрашен, и вновь поступившая в верхний сосуд порция его отличается цветом от парафина, бывшего в нем ра­

весом лежат на подстилающем их кристаллизующемся расплаве, практически не имея других точек

опоры. В связи с этим при уменьшении объема магмы в результате ее кристаллизации вышележащие толщи пород будут постепенно опускаться, и мощность такой пластообразной камеры будет не­ прерывно уменьшаться. Как следует из табл. 7, сокращение мощ­ ности пластовой камеры, выполненной расплавом диабазового состава, при начальной высоте ее 100 м составит около 7 м.

Иные явления будут происходить в камере цилиндрической

173

формы, высота которой близка к поперечнику или больше его (большинство штоков, некков и др.). Уменьшение гидростатиче­ ского давления расплава приводит прежде всего к деформации кровли камеры и не отражается на прочности боковых стенок маг­ матического резервуара. Если камера такой формы не сообщается с поверхностью и с магматическим очагом, уменьшение объема заключенного в ней материала может быть компенсировано только прогибанием кровли, а в случае развития в апикальной части эксплозивного сооружения — втягиванием в ее канал брекчиевого материала, которое может дойти до поверхности. В начальные этапы консолидации массива проседает весь блок пород кровли. В дальнейшем по мере перемещения фронта кристаллизации рас­ плава в глубь камеры внутренняя часть резервуара, выполненная еще не раскристаллизованной магмой, будет сокращаться. Опускаю­ щийся при этом блок кровли своими краевыми частями опирается на уже консолидированные краевые части интрузии. Как и в разо­ бранном опыте с кристаллизацией парафина в сосуде с высотой, равной его диаметру, так и над камерой в этом случае форми­ руется чашеили воронкообразное углубление. Оно заполняется, очевидно, накапливающимися минеральными флюидами; дальней­ шее формирование этого углубления вызовет не только дополни­ тельную концентрацию минерализаторов конечной стадии, но и будет способствовать погружению брекчии во флюидизированной системе.

Области максимальных напряжений изгиба в породах кровли постепенно сдвинется в плане к центру интрузии, за счет чего здесь и должны быть максимальные перемещения. Глубина про­ седания будет пропорциональна коэффициенту усадки консоли­ дирующихся пород и отношению высоты камеры к ее поперечному сечению. Как следует из описанных выше опытов и коэффициентов усадки (см. табл. 6 и 7), высота перемещения обусловленного кон­ солидацией интрузии цилиндрической формы с высотой и диамет­ ром, равными 3 км, может достигнуть 1— 1,5 км. Процесс усадки происходит в течение всего периода кристаллизации интрузий, но максимальные значения перемещений должны иметь место в за­ ключительные моменты становления магматических тел на грани магматического и постмагматического процессов, т. е. в период рудоносного брекчиевого эксплозивного сооружения.

Подобные явления, на взгляд автора, не только принимают участие в формировании брекчиевых эксплозивных сооружений, но и за счет них образуются полости, вмещающие кольцевые дайки. Последние могут возникнуть в том случае, если кровля интрузии окажется неподатливой и кристаллизация магматических масс происходит в замкнутой системе. Образующиеся при этом кольцевые разломы могут быть заполнены поздними дифференциатами магмы. Подобные условия в природе могут существовать на относительно больших глубинах. В приповерхностных горизон­ тах более характерны будут явления обрушения, доходящие до

174

Рис. 47. Генетические типы кольцевых разломов. Невский, 1971.

а — цилиндрические трещины отрыва; б — центрнклннальные трещины отрыва; в вертикальные н конические (центрнклннальные и пернклинальные) трещины скалы­ вания; г — оперяющие (центрнклннальные н пернклинальные) трещины отрыва, фор­

мирующиеся при образовании кольцевого горста или грабена

падают наружу, но при этом возникают трещины, близкие к вер­ тикальным. По мнению Ч. Офтедаля (Oftedahl, 1948), вертикаль­

ное положение контура разрыва более логично, чем наклонное. При близком же к вертикальному положению трещины поступаю­ щая магма может раздвигать ее стенки, что будет контролировать^ упругостью и пластичностью вмещающих пород. Таким пу­ тем возникают преимущественно кольцевые дайки, занимающие незначительное пространство (Биллингс, 1949).

При котлообразном оседании в простейшем случае ширина кольцевой дайки может быть повсюду одинаковой, но могут обра­ зовываться и аркообразные дайки с тупыми окончаниями и не­ полнокольцевые дайки. Последние возникают в том случае, если оседающий блок оттеснен в сторону одной стенки. Оседающий блок в некоторых случаях ограничен не только трещиной, но и зо­ ной брекчирования шириной в сотни метров, в которой устанав­ ливается наклон пластов к центру сооружения.

Согласно М . П. Биллингсу (1949), котлообразные оседания, происходящие при формировании кольцевых даек, связаны с более общей причиной — падением давления в магматическом резер­ вуаре, что происходит в результате оттока или усадки. Л. У. Снт-

попыткой взрывной трубки». Интрузиям кольцевых даек в этом случае предшествует образование округлых или овальных трещин, круто падающих во внешние стороны, эти трещины может запол­ нять магма. Иногда породы криптовулканов возвышаются в виде купола, как, например, в некоторых случаях, описанных в Сахаре (Sitter, 1956). Такое куполовидное возвышение обусловлено пред­ варительным поднятием магмы, предшествовавшей обрушению.

Предположенный механизм формирования рудоносных брекчиевых эксплозивных сооружений, заключающийся в проявлении подземных брекчиепроизводящих эксплозий наиболее ранних пост­ магматических продуктов с дальнейшим медленным выжиманием брекчиевого материала по ослабленным зонам (трещинным или изометрическим), а в последующем осложняющийся явлениями об­ рушения (в основном при флюидации, а также в результате усадки магматического очага при кристаллизации или за счет от­ тока магмы), находится в соответствии с многими наблюдаемыми в природе и в экспериментальной обстановке явлениями. Подоб­ ный механизм формирования не требует ни сверхмощных газо­ вых взрывов, ни сверхскоростных прорывов газовых струй. Этот механизм, качественно отличаясь от механизма формирования соляных штоков, имеет с ним много общих черт как в природе порождающих его сил, так и во внешней форме. Более того, в со­ ляно-купольных образованиях Северо-Западного Донбасса в по­ следние годы выявлена высокотемпературная минерализация (Са­ фронов, Энтэлис, 1966; Гнатенко и др., 1969). Ее развитие в надкупольных брекчиях связывается с проявлением локального и кратко­ временного теплового потока из недр, сопровождавшегося выносом

178

ряда летучих элементов, за счет которых были отложены суль­ фиды свинца, цинка, железа и ртути, а также карбонаты (кальцит, доломит, анкерит) и флюорит.

Предложенный механизм формирования рудоносных брекчиевых эксплозивных сооружений может проявляться при своеобраз­ ных магматических процессах в любых жестких консолидирован­ ных участках земной коры с мощными проявлениями глыбовой тектоники (щиты, платформы, срединные массивы, зоны ранней консолидации складчатых областей, зоны активизации и участки геосинклинальных областей в поздний орогенный этап) в связи с интрудированием любых по составу магм. Некоторые аспекты этого механизма на примере кимберлитовых трубок были рассмотрены В. И. Михеенко (Михеенко, Ненашев, 1961; Михеенко, 1972), обра­ тившим внимание на их закрытый характер, а также Ю . А. Били­ биным (1959), описавшим случай присутствия в маломощной кварцевой жиле многочисленных ксенолитов, вынесенных гидро­ термальными растворами на 75 м выше своего первичного залега­ ния, а затем сцементированных золотоносным кварцем с пиритом.

Г л а в а V I I

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ И ЗАДАЧИ ДАЛЬНЕЙШИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Изучение в различных аспектах рудоносных брекчиевых экспло­ зивных сооружений позволяет сделать следующие выводы и наме­ тить практические рекомендации.

1. Полученные материалы показывают, что эксплозивные яв­ ления свойственны интрузиям любых типов магм — от ультракислых до ультраосновных. Эксплозивные процессы, происходя­ щие за счет постмагматических продуктов на различных глубинах, приводят к появлению оруденелых брекчиевых тел и минерали­ зованных участков по их периферии. Возникающие при этом геоло­ гические образования (включая центральное брекчиевое тело и пе­ риферическую минерализованную область) следует понимать как рудоносные брекчиевые эксплозивные сооружения.

Рудоносные брекчиевые эксплозивные сооружения, таким обра­ зом, могут быть встречены в связи с проявлениями любого типа магматизма, причем сооружения, обусловленные магматизмом

с ультраосновной магмой формируются кимберлитовые алмазо­ носные (и с другими драгоценными камнями) и гортонолит-дуни-