Введение. За последние 150 лет в мире в результате недостаточного геодинамического обоснования или неправильного ведения горных работ было затоплено более 80 калийных рудников, из них в Германии – более 30, Канаде – 6, в России – 2 (в Пермском крае). В 1986 и 2006 гг. в результате аварий были затоплены 2 шахты на крупнейшем в мире Верхнекамском месторождении калийно-магниевых солей. Установлено, что подавляющее большинство аварий на рудниках происходит в условиях высокой геодинамической активности горных массивов, осложняющихся высокой трещиноватостью пород [19, 22, 24]. Формирование участков с высокой степенью трещиноватости пород происходит под действием различных инженерно-геологических факторов, ведущими из которых являются современная геодинамика и неотектоника [17, 21, 25].
Методика, результаты, обсуждение
Основой методологии оценки и прогнозирования геодинамической опасности районов действующих и проектируемых калийных рудников и выделения геодинамических активных зон (ГАЗ) может быть системный линеаментно-геодинамический анализ на основе дистанционных аэрокосмогеологических исследований (АКГИ) в комплексе с геофизическими, структурно-геоморфологическими, гидрогеологическими, геохимическими геоэкологическими и биологическими методами [1, 3, 4, 5, 6, 10, 12, 13, 16, 18, 20].
Методика исследований была отработана на крупнейшем в мире Верхнекамском калийно-магниевом месторождении (Пермский край) – наиболее хорошо изученном различными геолого-геофизическими методами. Оно имеет сложное геологическое строение и опасные условия для разработки, обусловленные высокой степенью тектонической трещиноватости, значительной водообильностью пород и карстом (как правило, эти явления в разной степени присутствуют на всех месторождениях солей). По региональной геодинамической оценке масштаба 1:500 000, было установлено, что территория Верхнекамского месторождения находится в пределах геодинамической активной зоны регионального уровня площадью более 1000 км2 [8, 9, 15]. По районированию масштаба 1:100 000 в ее пределах выделено более 50 геодинамических активные зоны размером от 2 до 15 км [2]. Детальные АКГИ масштаба 1:25 000, при котором применялось дешифрирование цифровых КС, обработка данных с применением ГИС-технологий позволили еще более детализировать геодинамическое строение – были выделены геодинамические активные зоны с размерами до 1 км. Некоторые из них имели хорошую пространственную сходимость с зонами разуплотнения по гравиметрии и с зонами сильной проницаемости по электроразведке. По комплексу критериев геодинамической оценки проведено геоинформационное моделирование и составлена карта аномальности геодинамического состояния, данные которой были учтены при проектировании горных работ на новых участках [1, 14].
Данная методика выделения геодинамических активные зон была применена на Жилянском месторождении калийных солей (Республика Казахстан) и Тюбегатанском месторождении калийных солей (Республика Узбекистан). Эти районы ранее аэрокосмическими методами были изучены слабо, поэтому дешифрирование проводилось по нескольким (5-8) уровням генерализации в масштабах от обзорных и региональных 1:10 000 000-1:1 000 000 на больших площадях (сотни тыс. км2) до детальных работ 1:50 000 и 1:25 000 на площадях горного отвода месторождений.
Жилянское месторождение калийных и полигалитовых солей, расположено в Актюбинской области Республики Казахстан в 10 км к востоку юго-востоку от г. Актобе; представлено залежами полигалита и сильвинита. Характеризуется большой протяженностью, разобщенностью в плане и высотах рудных тел, резкими колебаниями условий залегания, мощностей рудных тел и содержания полезных компонентов.
По геодинамическим условиям район Жилянского месторождения находится в сложных тектонических условиях, находясь на стыке Прикаспийской синеклизы (с запада и непосредственно на площади), Предуральского краевого (с севера) прогиба и Уральской складчатой системы (с востока). Блоково-надвиговое взаимодействие этих крупных тектонических структур осложняется соляно-купольной тектоникой, формируя сложную современную геодинамическую обстановку. Основная геодинамическая активность, по-видимому, связана с системой меридионального тектонического нарушения, проходящего через всю Жилянскую площадь с юга на север. Его пересекают многочисленные локальные субширотные и диагональные линеаменты, которые в свою очередь «оперяются» короткими линеаментами.
По результатам АКГИ в Западном Казахстане уточнено геологическое и неотектоническое строение территории Жилянского месторождения. Линеаментно-геодинамический анализ и геодинамическое районирование проведены на уровне детальности масштаба 1:50 000 и 1:25 000. Выделены локальные ГАЗ с очень высокой плотностью линеаментов, обусловленной тектонической трещиноватостью, которые имеют важное значение для обоснования безопасного ведения горных работ и промышленного освоения Жилянского месторождения. Всего в контурах горного отвода месторождения установлено 8 локальных ГАЗ, их размеры составляют в длину 0,7-4,0 км, в ширину 0,3-0,8 км. В их пределах установлены 13 участков (с чрезвычайно высокой плотностью линеаментов), с размерами от 0,1х0,2 до 0,6х1,5 км. Их необходимо учитывать при проектировании, строительстве горно-обогатительного комбината и в дальнейшей разработке месторождения [7].
Тюбегатанское месторождение калийных солей, расположено в Дехканабадском районе Кашкадарьинской области Республики Узбекистан. Протяженность всего месторождения с юго-запада на северо-восток составляет 24 км при ширине до 7 км (пределах узбекской части соответственно – 14 и 1,5-3 км). В контуре подсчета запасов его площадь составляет 69,6 км2. По геодинамическим условиям район месторождения находится в сложных тектонических и сейсмических условиях, находясь на стыке планетарных (Евроазиатская и Индийская плиты) и субпланетарных (Туранская плита и Тянь-Шанский ороген) тектонических структур. Блоково-надвиговое взаимодействие этих крупных тектонических структур осложняется локальной сдвиговой и соляно-купольной тектоникой. Основная геодинамическая активность, по-видимому, связана с системой северо-восточного тектонического нарушения, проходящего через всю Тюбегатанскую структуру с юга-запада на северо-восток. Его пересекают многочисленные локальные субширотные и диагональные линеаменты, которые в свою очередь «оперяются» короткими линеаментами. Для разрабатываемого месторождения изучение новейшей тектоники и современной геодинамики является особенно важным, поскольку на руднике в конце 2012 г. произошел сильный аварийный приток рассолов в шахтные стволы, который с большим трудом удалось ликвидировать. Необходимо было установить неблагоприятные и более благоприятные участки для проходки шахтных стволов.
Проведены АКГИ различной детальности; линеаментно-геодинамический, морфонеотектонический, линеаментно-блоковый анализы по нашим методикам [8, 23]. Дешифрирование цифровых КС, обработка данных, геоинформационное картографическое моделирование проводились с применением ГИС-технологий в Arc GIS и ArcView GIS. Дешифрирование КС проведено по 8 уровням изучения – от обзорного в пределах всего Южного Узбекистана, до крупномасштабного на площади Тюбегатанского месторождения и детального – на участке шахтных полей с анализом новейшей тектоники и современной геодинамики (рис. 1). По результатам региональных АКГИ масштабов 1:1 000 000 – 1:100 000 выявлены крупные линеаментные зоны предполагаемых тектонических нарушений фундамента и осадочного чехла. По крупномасштабному дешифрированию КС масштабов 1:50 000-1:10 000 в районе месторождения и прилегающей территории выделено более 2150 прямолинейных тектонических линеаментов различных рангов с преобладающими СВ и СЗ направлениями, а также дугообразные линеаменты и кольцевые структуры.
Неотектоническое районирование проведено на основе линеаментно-блокового анализа с выделением неотектонических блоковых структур, при этом, в центральной части месторождения выделены 2 мезоблока, 6 локальных блоков первого порядка и 22 локальных блоков второго порядка, характеризующиеся различной степенью неотектонической активности. Линеаментно-геодинамический анализ и геодинамическое районирование выполнены на уровне детальности масштабов 1:50 000, 1:25 000 и 1:10 000. В районе месторождения выделены 10 ГАЗ. Крупнейшая из них – Тулешская ГАЗ в северной части центрального участка месторождения, изометричной формы площадью 4,3 км2; при детализации дифференцируется на 11 зон с площадями 0,01-0,06 км2. Эти участки имеют наибольшую плотность тектонической трещиноватости и представляют наибольшую опасность для ведения горных работ и промышленного освоения месторождения (рис. 2).
Рис. 1. Площадь дешифрирования космоснимков по разным уровням генерализации (на геологической карте Узбекистана)
Рис. 2. Карта геодинамических активных зон Тюбегатанского месторождения калийных солей. Масштаб 1:50 000
С учетом имеющегося геологического материала на территории шахтного поля рудника выполнен комплексный анализ геологических и аэрокосмогеологических материалов с построением карты комплексного анализа и сделаны методические рекомендации по проведению геолого-геофизических исследований в целях безопасного ведения горных работ и промышленного освоения.
Проведенные детальные дистанционные исследования на действующем руднике показывают на хорошую сходимость результатов различных методов АКГИ и геофизики. Это обеспечивает надежность прогнозирования участков повышенной трещиноватости пород и рассолопроявлений в горных выработках, знания о которых необходимы для принятия оперативных решений по проходке шахтных стволов. На этих участках прогнозируются наиболее активные геодинамические зоны, которые представляют наибольшую опасность для ведения горных работ. На участках шахтных полей они были подтверждены полевыми наблюдениями и данными геофизических исследований. Было рекомендовано исключить эти зоны из разработки месторождения, также были намечены более благоприятные участки для отработки залежи калийных солей.
Заключение
По результатам аэрокосмогеологических исследований во всех изученных нами регионах (Урал, Север, Западная и Восточная Сибирь, Дальний Восток, Средняя Азия) установлена высокая пространственная и корреляционная сходимость геодинамических активных зон с геофизическими, геохимическими и гидрогеологическими аномалиями [11, 15] с участками неблагоприятных геологических процессов и явлений и грунтовых условий, увеличение интенсивности опасных природных и техногенных процессов [12]. Подтверждено положение о ведущей роли геодинамических активных зон в формировании горно-геологических, гидрогеологических, инженерно-геологических и геоэкологических условий.