МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНА ГІРНИЧА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

УДК 553.31+553.061.17.001+551.71+552.1

ОРЛІНСЬКА Ольга Вікторівна

РОЛЬ ЕЛЕКТРИЧНИХ ПОЛІВ

У ФОРМУВАННІ РУДНИХ РОДОВИЩ

(на прикладі залізорудних формацій докембрію)

Спеціальність:

04.00.11 - “Геологія металевих і неметалевих корисних копалин”

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора геологічних наук

Дніпропетровськ

1999

Дисертація є рукописом

Робота виконана в Національній гірничій академії України

Науковий консультант:

доктор технічних наук, старший науковий співробітник, професор кафедри будівництва шахт і підземних споруд

Національної гірничої академії України (м.Дніпропетровськ) |

СОБОЛЄВ

Валерій Вікторович

Офіційні опоненти:

доктор геологічних наук, професор,

завідувач кафедри загальної і регіональної геології

Львівського державного університету ім.І.Франка |

СИВОРОНОВ

Альберт Олексійович

доктор геологічних наук, професор

кафедри геології і розвідки родовищ корисних копалин

Криворізького технічного університету |

КАТАЛЕНЕЦЬ

Анатолій Іванович

доктор геологічних наук, професор, завідувач кафедри

геології і розвідки родовищ корисних копалин

Донбаського гірничо-металургійного інституту

(м.Алчевськ) |

ГОРОВИЙ

Анатолій Федорович

Провідна установа: Інститут мінеральних ресурсів Держкомгеології,

відділ благородних металів (м.Сімферополь)

Захист відбудеться « 18 » листопада 1999 р.

о 14 год. на засіданні спеціалізованої ради Д 08.080.05 при Національній гірничій академії України за адресою : 49027, м. Дніпропетровськ, пр. К.Маркса,19,

тел.( 0562) 47-24-11

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Національної гірничої академії України

за адресою: 49027, м. Дніпропетровськ, пр. К.Маркса,19,

Автореферат розісланий « 14 » жовтня 1999 р.

Вчений секретар спеціалізованої ради Д 08. 080.05,

кандидат геологичних наук, доцент А.Л.Лозовий.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Стан і актуальність проблеми. Дисертаційна робота присвячена питанням вивчення генезису залізорудних формацій докембрію (ЗФД), родовища яких містять до 80% світових ресурсів залізних руд. Промислове значення їх винятково велике внаслідок концентрації запасів у значних і унікальних родовищах, високої якості та легкого збагачення руд, компактного розташування родовищ у вигляді великих районів і гігантських залізорудних басейнів. Історія промислового використання родовищ ЗФД нараховує понад 100 років, і якщо раніше розроблялися лише багаті залізні руди, то за останні десятиліття намітився новий етап - залучення до експлуатації родовищ важкозбагачуваних бідних руд. Запаси таких руд в Україні дуже великі, а їх розміщення дозволяє забезпечити рівномірний розподіл джерел сировини щодо центрів металургії. Залізорудні концентрати, які виробляються збага-чувальними комбінатами Кривбасу, - одне з основних джерел валютних надходжень в Україну. З родовищами ЗФД пов'язаний і підвищений вміст інших корисних компонентів, які раніше не розглядалися як джерела сировини з причин низької концентрації. Так, у залізистих кварцитах Білозерського залізорудного родовища виявлені підвищені концентрації бла-городних і рідкісних елементів. Перші рудопроявлення золота, відкриті в Україні, просторово тяжіють до Сурської та Чортомлицької зеленокам’яних структур - областей розвитку ЗФД.

Наукове значення ЗФД не поступається практичному. В їх геологічній історії закладено багато питань докембрійського розвитку Землі: еволюція атмосфери й гідросфери, особ-ливості процесів інтрузивного та ефузивного магматизму, вивітрювання, осадонакопичення, метаморфізму, тектоніки і т.п. Формування родовищ ЗФД відділене від нас значним часовим відрізком, що утруднює вирішення питань генезису, оскільки в даному випадку механістичне перенесення сучасного геологічного стану в докембрій невиправдане. За понад ніж столітню історію розвитку геології залізорудних утворень в усьому світі накопичений величезний фактичний і експериментальний матеріал, висловлені найрізноманітніші точки зору на походження ЗФД. Але, незважаючи на це, питання генезису родовищ ЗФД до сьогоднішнього дня залишається дискусійним. У цьому плані показова багатотомна монографія «Залізорудні формації докембрію Європейської частини СРСР», видана наприкінці 80-их років і відображаюча різні погляди як на окремі питання генезису родовищ ЗФД, так і на всю проблему в цілому.

В Україні накопичений унікальний геологічний польовий матеріал, здійснений значний обсяг експериментальних і теоретичних досліджень. Аналіз цієї бази даних показав, що найбільш розробленою й заснованою на величезному фактичному матеріалі має бути первинно- осадова гіпотеза. В її рамках виділяються літологічні, тектонічні, кліматичні та ін. моделі. Причому кожна з них вирішує тільки свої конкретні геологічні проблеми. Так, наприклад, літологічні в основному розглядають фізико-хімічні умови вивітрювання, переносу, відкладення, діагенезу, метаморфізму залізисто-кременистого осаду, тектонічні - палеотектонічні умови формування басейну, розвиток розривних й складчастих деформацій та ін. Проте, незважаючи на різноманіття наведених дослідниками чинників, що впливають на формування ЗФД, подив викликає та обставина, що з їхнього числа були практично усунені електричні поля. Заповнити цей пропуск і покликана дана робота.

Результати наукових досліджень, наведені в дисертаційній роботі, отримані під час виконання держбюджетних НДР у Проблемний науково-дослідній лабораторії №1 (ПНДЛ 1) НГА України відповідно до Координаційного плану Міністерства освіти № 35 «Дослідження та науковий прогноз закономірностей розміщення та формування родовищ корисних копалин України». Теми фундаментальних досліджень, в яких у якості наукового керівника й відповідального виконавця брала участь автор, відповідають пріоритетним напрямкам розвитку науки й техніки, схвалені експертною радою по геології Міністерства освіти України і затверджені наказами по Національній гірничій академії України.

Мета й задачі досліджень. Мета - оцінити рівень електричного поля, що виникає в кварцвміщуючих породах (залізисто-кременистому осаді) під час динамічних навантажень, і обгрунтувати його роль на кожному етапі формування ЗФД.

Для досягнення поставленої мети вирішені такі задачі:

1. Встановлено просторові взаємовідносини між різноманітними типами ЗФД і глибинними розломами на Українському щиті й КМА. Обгрунтована роль глибинних розломів як джерел аномалій фізичних полів.

2. Розроблені фізико-математичні моделі: механізмів генерації електричних полів у результаті прояву п’єзоефекту; утворення нових мінеральних фаз.

3. Здійснено комплекс експериментальних досліджень, присвячених вивченню термоелектричного впливу на електропровідність, склад, текстурно-структурові особливості деяких мінералів і гірських порід.

4. Отримані результати теоретичних розрахунків і експериментальних досліджень співставлені з відомими геолого-геофізичними даними по складу, будові, тектоніці й метаморфізму ЗФД.

Основна ідея роботи пов'язана з розкриттям ролі електричних полів як одного з основних чинників, що беруть участь в утворенні залізорудних формацій докембрію.

Методи досліджень. Методичну основу складає комплексний підхід, що включає аналіз і узагальнення відомої геолого-геофізичної інформації з проблеми; фізико-математичне моделювання; проведення експериментальних досліджень по вивченню впливу термоелектричних полів на мінерали і гірські породи; співставлення результатів експериментів із геолого-геофізичними даними по складу, будові й метаморфізму ЗДФ.

Наукові положення, які захищаються в дисертації:

1. У результаті динамічних навантажень, що формуються під час закладення й активізації глибинних розломів, у залізисто-кременистій породі (осаді) за рахунок розвитку п’єзоефекту виникають електричні струми, величина яких достатня для ініціювання в ній фізико-хімічних процесів.

2. Тільки під час комплексної дії електричного поля й температури в мінералах і гірських породах (яшма, сидерит, сидеритоліт, сидероплезит) спостерігається стрибкоподібний характер збільшення електричної провідності, обумовлений спонтанним утворенням нових електропровідних фаз. В результаті впливу термоелектричних полів повна дисоціація сидериту, одного з первинних мінералів ЗФД, завершується при температурах 700-800К, що на 100-150 градусів нижче, ніж при простому нагріванні. Нові мінеральні фази формують смугастість (чергування рудних і нерудних мінералів), орієнтовану паралельно струмові, що проходить.

3. Такі процеси, як діагенез, епігенез і метаморфізм залізорудних формацій докембрію, обумовлені впливом чотирьох чинників: температури, тиску, флюїдів і електричного поля. Причому головну роль, при всіх інших рівних умовах, може виконувати будь-який із перерахованих чинників.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Вперше на підставі фізико-математичного моделювання проведені розрахунки рівнів електричних полів, що виникають у гірських кварцвміщуючих породах (залізисто-кременистому осаді) в результаті розвитку в них п’єзоефекту.

2. Експериментально виявлене нове раніше невідоме явище стрибкоподібного зменшення електричного опору гірських порід і мінералів під час комплексної дії температури й електричного поля.

3. На підставі квантово-механічних закономірностей, кінетичних особливостей і мінералогічних досліджень розроблено фізичний механізм формування електропровідних шарів, пов'язаний з утворенням у мінералах і гірських породах нових фаз (маггеміту, магнетиту, магнезіофериту, гематиту, графіту). Запропонована модель формування шарів, що характеризуються аномально високою електричною провідністю в земній корі.

4. Встановлено, що повна дисоціація сидериту, одного з первинних мінералів ЗФД, що призводить до утворення маггеміту, гематиту, графіту під час термоелектричної обробки, відбувається на 100-150 градусів нижче, ніж при простому нагріванні. У цьому випадку температура повної дисоціації залежить від напруженості електричного поля, швидкості нагрівання, хімічного складу, кількості домішок і їхньої електропровідності, текстурно-структурових особливостей досліджуваних зразків.

5. У результаті термоелектричної обробки нові мінеральні фази формують смугасту текстуру, аналогічну тій, що спостерігається в залізистих кварцитах.

6. Виділено четвертий чинник метаморфізму ЗФД - електричне поле. Встановлені взаємозв'язок і взаємозумовленість чотирьох чинників. Визначена роль електричних полів на етапах діагенезу, епігенезу й метаморфізму залізисто-кременистих порід. Розроблено фізико-хімічний механізм руйнації кварцу в кварцевих шарах при метаморфогенній метасоматичній усадці. Запропонований механізм доповнює відому метаморфогенно-гіпергенну модель утворення багатих залізних руд саксаганського та першотравенського типів.

Наукове значення роботи - на підставі теоретичних розрахунків, експериментальних досліджень і аналізу відомих геолого-геофізичних даних виділено четвертий чинник метаморфізму залізорудних формацій докембрію - електричне поле.

Практичне значення роботи полягає в наступному:

1. Фізико-хімічну інтерпретацію одержав геотектонічний критерій пошуків багатих залізних руд саксаганського та першотравенського типів. Раніше на підставі цього критерію було виділено чотири перспективних ділянки в Криворізько-Кременчуцькій і Білозерській структурно-фаціальних зонах.

2. Карта глибинних розломів Дніпровсько-Донецької западини, складена за геофізичними зйомками масштабу 1:200000, 1:500000, передана й успішно використовується як тектонічна основа для пошуків малоамплітудних порушень на вугільних родовищах Донбасу, про що свідчить акт запровадження.

Обгрунтованість наукових позицій базується на сучасних положеннях й закономірностях квантово-механічної теорії кінетики утворення нових фаз і встановлених фізичних ефектах, що характеризують явище стрибкоподібного збільшення електропровід-ності деяких діелектриків - мінералів і гірських порід під час комплексної дії температури і слабкого електричного поля. Вони строго аргументовані й підтверджені великим обсягом експериментальних даних, отриманих за допомогою сучасних методів досліджень.

Особистий внесок автора.

1. Встановлення просторових взаємозв'язків між ЗФД і глибинними розломами. Обгрунтування глибинних розломів як одного з природних джерел аномалій фізичних полів.

2. Створення мінералогічних і електричних моделей для розрахунків рівнів полів, що виникають під час розвитку п’єзоефекту в гірських кварцвміщуючих породах.

3. Проведення експериментальних досліджень комплексного впливу термоелектричних полів на мінерали й гірські породи.

4. Створення фізичної моделі формування нових фаз із високою електропровідністю і єлектронно-провідних шарів: у зразках мінералів і гірських порід; у зонах аномальної електричної провідності в земній корі.

5. Обгрунтування ролі четвертого чинника метаморфізму ЗФД - електричних полів, а також взаємозумовленості й взаємозв'язку всіх чотирьох чинників метаморфізму.

6. Основні висновки про роль електричних полів у формуванні залізорудних формацій докембрію та багатих залізних руд.

Апробація роботи. Основні положення, наукові й практичні результати доповідались і обговорювалися на науковій конференції: «Проблеми геологічної науки та освіти в Україні» (Львів, 1995); міжнародних конференціях: «Закономірності еволюції земної кори» (Санкт-Петербург,1996), «Глибинна будова літосфери та нетрадиційне використання надр» (Київ, 1996), «Проблеми комплексного освоєння надр» (Дніпропетровськ, 1998), «Актуальні проблеми геології та раціонального природокористування» (Дніпропетровськ, 1999), на перших наукових читаннях ім.акад.Лазаренка «Проблеми регіональної мінералогії» (Львів, 1997).

Публікації. Основні положення дисертації опубліковані в 2 монографіях, 20 статтях у наукових фахових виданнях, 20 тезах доповідей на конференціях - усього в 42 наукових працях

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, висновків, переліку посилань з 166 найменувань на 16 сторінках, містить 204 сторінки машинописного тексту, 62 малюнки на 36 сторінках, 11 таблиць на 4 сторінках, загальним обсягом 260 сторінок і 3 додатки на 15 сторінках.

Автор висловлює щиру вдячність: науковому консультанту д.т.н., с.н.с. В.В.Соболєву за численні консультації та рекомендації; д.г.н., проф. О.Д.Додатку за підтримку автора на всіх етапах роботи над дисертацією; д.г.н., чл.-кор. НАН України К.Ф.Тяпкіну-першому вчителю; д.г.н., проф. В.М.Кравченку за критичні зауваження й поради; к.т.н., провід.науковому співробітнику ПНДЛ-1 А.В.Чорнаю за допомогу в розрахунках; В.І.Ганоцькому, Ю.Т.Хоменку, Д.С.Пікарені за активну участь у мінералогічних і рентгено-структурних дослідженнях; к.г.н. Г.М.Стовас за надані геолого-геофізичні матеріали; інженерові О.О.Ващенку - за участь в експериментальних дослідженнях; В.В.Мотенко, Л.В.Огульчанській, М.П.Добренко, Г.І.Кириченко - за дружню допомогу і підтримку.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Розділ 1. Сучасний стан уявлень про генезис залізорудних формацій докембрію.

Проблема утворення докембрійських залізистих кварцитів і пов'язаних із ними багатих залізних руд, що неодноразово була темою обговорення, продовжує залишатися актуальною. Перші значні дослідження геологічної будови докембрійських залізорудних басейнів нашої країни пов'язані з іменами П.П.П’ятницького, М.І.Світальського, І.І.Танатара. Подальший розвиток теорія утворення ЗФД одержала в роботах Я.М.Белевцева, М.О.Плаксенка, М.П.Семененка, М.М.Страхова, Ю.П.Мельника, В.М.Кравченка, Л.Я.Ходюш, Д.О.Кулика, Р.Я.Белевцева, Г.І.Каляєва, І.М.Щоголева та ін. Проте, незважаючи на значну кількість публікацій, дотепер немає узвичаєного погляду не тільки на генезис залізистих кварцитов і багатих залізних руд, але й на класифікацію та часові взаємовідносини різних типів ЗФД. У розділі показано, що найбільш аргументованою постає класифікація В.М.Кравченка і Я.М.Белевцева, в основі якої лежить поділ стратиформних ЗФД на дві групи: сингенетичні формації бідних руд і епігенетичні формації багатих руд. Серед сингенетичних залізоносних формацій, у свою чергу, виділяються за особливостями утворення вулканогенні, вулка-ногенно-осадові й осадові формації. Існуючі уявлення про генезис можна розбити на три великі групи гіпотез: первинно-осадові; первинно-магматогенні і вулканогенні; метаморфо-генно-гідротермально-метасоматичні. Найбільше серйозно обгрунтованими й розробленими вважаються гіпотези первинно-осадового походження, які підтверджуються величезним фактичним матеріалом. У рамках цього напрямку відокремлюється ряд моделей докемб-рійського залізонакопичення, кожна з яких базується на розвиткові одного або декількох аспектів проблеми формування ЗФД. Так, в одних детально розглядаються умови осадження заліза й кремнезему (хемогенне, евапоритове, біогенне, фотохімічне й ін.) і практично не приділяється увага тектоніці басейнів седиментації. В інших при достатньо складних палеотектонічних побудовах не враховується речовинний склад, текстурно-структурні особливості залізорудних товщ. Аналіз моделей докембрійського залізонакопичення показав, що найбільш привабливою, з погляду автора, має бути евапоритова модель осадження заліза у формі карбонату й кремнезему у вигляді силікатів натрію та калію. Маючи ряд переваг, вона не одержала широкого визнання, оскільки не відомі фізико-хімічні умови перетворення сидериту в магнетит і гематит в умовах зеленосланцевої фації регіонального метаморфізму. Аналіз особливостей складу, будови різних типів ЗФД і у цілому проблеми утворення сингенетичних формацій дозволяють дійти таких висновків:

1. На сучасному етапі не існує єдиної моделі, яка б задовольняла генетичним особливостям усіх залізорудних формацій докембрію.

2. Спостерігається чітка відособленість літологічних моделей від тектонічних. У літологічних моделях вирішуються питання джерел, шляхів і умов міграції заліза та кремнезему, чинників їхнього осадження, діагенезу й метаморфізму залізисто-кременистого осаду, палеотектонічні умови накопичення приймаються у вигляді постулатів - спокійний тектонічний режим шельфової зони, диференційований тектонічний рух в прогинах і т.д. У тектонічних моделях детально розроблені палеотектонічні умови накопичення й наступного перетворення залізисто-кременистих осадів, але практично не приділяється увага основним проблемам літологічних гіпотез.

3. У розвитку тектонічних уявлень спостерігається така закономірність - поступовий перехід від поглядів на розломи, як на структури, що беруть участь тільки у формуванні тектонічного плану родовищ, до точки зору про просторовий і генетичний взаємозв'язок розломів і ЗФД.

4. При обговоренні причин формування ЗФД у жодній моделі не розглядаються фізичні поля, зокрема, електричні, хоча цілком очевидно, що вони не могли не впливати на утворення таких мінералів як сидерит, магнетит, гематит і ін.

Серед епігенетичних формацій найбільшу увагу привертають багаті залізні руди саксаганського і першотравенського типів, що складають основну масу всіх залізорудних родовищ Криворізького басейну. У розділі наведені дані про склад і будову родовищ багатих залізних руд. Нині в результаті вивчення їх геологічних особливостей висунуто три групи генетичних гіпотез: гідротермальні, гіпергенні та метаморфогенно-гіпергенні. Гіпотези пер-ших двох напрямків пояснюють утворення багатих руд якимось одним процесом. Найбільш аргументованою виглядає метаморфогенно-гіпергенна гіпотеза, у якій обгрунтовується дво-стадійне збагачення залізистих кварцитів: формування на першій стадії метаморфічних бага-тих руд, а потім перетворення їх на стадії гіпергенезу до сучасного вигляду. Проте автори цієї гіпотези інтерпретують усі ці процеси з позицій класично простих хімічних реакцій окислювання, що створює певні труднощі при поясненні розчинення й переносу величезних мас кремнезему при збагаченні залізистих кварцитів. Визначним кроком вперед у пізнанні генезису багатих руд стали експериментальні дослідження, проведені Л.Г.Прожогіним і В.Г.Борисенком. Результати експериментів показали, що зони окислювання і поклади бага-тих мартитових руд можуть бути обумовлені електрохімічними явищами. Проте при цьому залишається не зовсім зрозумілим питання щодо джерел електричної енергії.

Аналіз огляду генетичних гіпотез утворення ЗФД дозволяє зробити висновок, що на сьогодні запропоновані, мабуть, усі найбільш ймовірні моделі формування докембрійських залізистих кварцитів і пов'язаних із ними багатих залізних руд. Натомість стає зрозумілим, що для вирішення проблеми необхідні як якісно новий підхід, так і нові методи досліджень. Певні можливості в уточненні генезису ЗФД можуть бути закладені в об'єднанні літологічної і тектонічної моделей на базі нових експериментальних даних. Першою ланкою в такому об'єднанні були дослідження, проведені автором раніш. Так, використовуючи основні положення нової ротаційної гіпотези структуроутворення К.Ф.Тяпкіна, виявлені просторові і часові взаємозв'язки різноманітних типів ЗФД із глибинними розломами. Встановлена пряма залежність між обсягами залізонакопичення, розмірами областей розвитку основних і ультраосновних порід і рангами розломів. Виділено геотектонічний пошуковий критерій на багаті залізні руди саксаганського й першотравенського типу, суть якого полягає в наступному. Стовпоподібні поклади багатих залізних руд на Українському щиті просторово тяжіють до значних регіональних розломів з азимутом 17о , розташовуються у вузлах перети-нання широтних і меридіональних розломів високих порядків з пластами залізистих квар-цитів криворізької та білозерської формацій і контролюються мінімумами магнітного поля. Виявлений геотектонічний пошуковий критерій не одержав серйозної геологічної або фізико-хімічної інтепретації, оскільки не зрозумілим залишалося питання про вплив розломів на збагачення залізистих кварцитів у період формування залізних руд.

Узагальнення огляду генетичних гіпотез і досліджень, проведених автором, дозволило висловити припущення, що глибинні розломи на момент їх закладення або активізацій мають бути потужними джерелами електричної енергії, котра не могла не впливати на утворення ЗФД. У цьому зв'язку сформульована основна мета роботи - оцінити участь електричних полів на різних етапах формування родовищ залізистих кварцитів і багатих залізних руд.

Розділ 2. Глибинні розломи - природні джерела аномалій фізичних полів.

Раніше проведені дослідження, як наголошувалося вище, дозволили встановити регіо-нальні просторові та часові взаємозв'язки типів ЗФД із глибинними розломами визначених азимутів простягань. Для розвитку цих уявлень проведене вивчення локальних просторових закономірностей розміщення різноманітних типів ЗФД на Українському щиті і КМА. Ідеологічною основою для визначення цих закономірностей став принцип успадкованого розвитку Н.С.Шатського й А.В.Пейве. Під локальними закономірностями припускаються просторові взаємозв'язки між розміщенням залізорудних товщ і розломами різноманітних простягань, встановлені по геолого-геофізичним даним масштабу 1:200000 і більше. Для виявлення цих закономірностей проведені триразові незалежні виміри азимутів простягань і довжин прямолінійних ділянок пластів залізистих кварцитів і сформовані дві вибірки. Перша - для пластів залізистих кварцитів УЩ обсягом 1200 одиниць, друга - для КМА обсягом 600 одиниць. Третя і четверта вибірки отримані при вимірах азимутів простягань індикаторів розломів на УЩ і КМА, обсягами відповідно - 1260 і 550 одиниць. На підставі результатів статистичного опрацювання 4 вибірок побудовані гістограми, аналіз яких свідчить про близькість азимутів простягання прямолінійних ділянок пластів залізистих кварцитів і індикаторів розломних структур на УЩ і КМА.

Подібні закономірності, напевно, не випадкові. Можна запропонувати три варіанти їхньої інтерпретації. Перший варіант - ЗФД формувалися на межах блоків, розділених глибинними розломами. І в цьому випадку роль розломів полягала в створенні басейнів накопичення ЗФД; участі в процесах денудації і седиментації за рахунок тектонічних ко-ливальних рухів. Другий варіант - збіг азимутів простягання пластів залізистих кварцитів і індикаторів розломних структур свідчать про єдиний напрямок поля тектонічних напруг у момент процесів перетворювання ЗФД і формування розломів. Іншими словами, поля тектонічних напруг при утворенні складчастості метаморфічних товщ ЗФД і розривів були однаковими по напрямку. І, нарешті, третій варіант - суміщення перших двох припущень. В цьому випадку розломи повинні брати участь на всіх етапах формування ЗФД. Причому на кожному етапі найбільш яскраво будуть проявлятися певні ознаки або властивості глибинних розломів.

У класичному варіанті під глибинними розломами розуміють протяжні, долгоживучі, витримані по простяганню розривні структури, які розділяють блоки земної кори різні за історією розвитку, складу порід, сучасній структурі. Глибинний розлом є областю (зоною) розрядки механічних напруг. Останні дослідження, як експериментальні, так і польові, показали, що до приведеного вище визначення необхідно додати ряд істотних ознак. Так, глибинні розломи - об'ємні геологічні структури, у яких найбільш активно протікають фізико-хімічні процеси перетворення гірських порід і мінералів. Джерелами енергії для них можуть служити природні електричні поля, що виникають у під час закладення або акти-візацій розломів. Непрямим підтвердженням виникнення електромагнітних полів у зонах глибинних розломів мають бути наступні дані:

1. Експериментально встановлено, що під час механічного навантаження й пластичних деформацій гірських порід відбувається розрив великої кількості хімічних зв'язків, іонізація атомів, утворення твердотільної енергетичної плазми.

2.

2.

2.

2.

Цей перелік можна продовжити, проте, незважаючи на різнї посилання на можливість виникнення електричних полів у зонах глибинних розломів, числових значень рівнів полів дотепер отримано не було. Складність, напевно, полягала в створенні фізико-математичної моделі, що задовольняла б складу, текстурно-структурним особливостям різних типів гірських порід, засобам їх навантажения і т.п.

Аналізуючи відомі факти, висловлено припущення, що під дією динамічних навантажень у зонах глибинних розломів електричні поля можуть виникати в результаті розвитку п’єзоефекту, зсувних деформацій, тріщиноутворення.

Пропонується наступна фізико-математична модель. Нехай у конденсованому діелектричному середовищі розміщені вкраплення мінералів-п’єзоелектриків (кварц, турмалін, цинкова обманка й ін.). На речовину діють стискувальні та зсувні напруги. У результаті дії зазначених вище навантажень середовище набуває рівноважного стану за рахунок пружної або пластичної деформації, проте стосовно дії зовнішніх сил вона стає нерівноважною як електрична система, оскільки в результаті прямого п’єзоефекту на поверхні зерен мінерала-п’єзоелектрика виникають поляризаційні заряди. Взявши в якості мінерала-п’єзоелектрика кварц (найбільш поширений мінерал у ЗФД і в земній корі в цілому), розглянемо умови, за яких середовище набирає електронейтрального стану. Будь-який фрагмент гірської породи можна уявити у вигляді електричного ланцюга, де конденсатори - зерна кварцу; мінерали-діелектрики - високоомні опори; мінерали з низьким опором, межа зерен, розчини, флюїди - провідники. Врезультаті динамічних навантажень на гранях кристала кварцу виникають електричні заряди. Розрахунки показують, що при тискові не нижче 108 109 Па, спрямованому перпендикулярно до граней кристала кварцу товщиною 10-3 м, на їх поверхні створюється різниця потенціалів 0.2 кВ, а щільність зарядів досягає 10-6 - 10-4 Кл/м. При дії зсувних деформацій виникає щільність зарядів, менша приведеної в 2,7 раза, оскільки зсувні напруги в цьому випадку спрямовані не по нормалі до граней кристала.

Розглянемо процес розряду окремого зерна кварцу (конденсатора) крізь високопровідне середовище, яке його містить. Залежність струму розряду від часу в такому ланцюгові записується формулою:

(1)

де : Q - заряд на обкладинках конденсатора, ? = R · C , R - опір навантаження, C - ємність конденсатора.

У п’єзоелектрика зовнішнього поля немає, його поляризація - наслідок механічного впливу, і в цьому випадку

(2)

де: S - площа поляризації, V - напруга на гранях.

Нехай площа граней зерна кварцу дорівнює 10 -6м2, у цьому випадку С= 8 ·10 -14 Ф, тоді час зарядження конденсатора (зерна кварцу) складе 8 · 10 -1 с.

Інакше кажучи, час електричної релаксації дуже малий і реалізація наведеної схеми в природі малоймовірна. Вона може мати місце лише при розрядці великих скупчень п’єзоелектричних кристалів.

Якщо припустити, що механічні напруги породжує стороннє зовнішнє джерело електричної енергії, підключене паралельно конденсатору (зерну кварцу), то в цьому випадку струм у розрядному ланцюзі буде визначатися:

(3)

де : a величина q- миттєве значення заряду на конденсаторі; d11 - п’єзоелектричний модуль.

Ввівши позначення , рівняння (3) запишемо у вигляді:

(4)

Загальне розв’язання такого неоднорідного диференційного рівняння (4) першого порядку з постійними коефіцієнтами має вигляд:

(5)

Розглянемо окремі випадки розв’язання рівняння (5). Нехай динамічні навантаження, спрямовані перпендикулярно до граней кварцу, ростуть за лінійним законом ? =аt , у цьому випадку f(t)=a, струм через опір навантаження R дорівнює J = q / RC або (6)

З формули (6) з’ясовуємо, що струм, який проходить крізь розрядний ланцюг, спочатку дорівнює 0, а потім зростає за законом . Якщо час навантаження t>>RC, то в процесі його струм швидко стабілізується і стає рівним I=a. Sd11.

У цьому випадку конденсатор практично не заряджається, тому що властивий час його розрядження набагато менший властивого часу зарядження. Тому кристали кварцу можуть генерувати електричний струм аж до тисків, близьких за величиною динамічній межі міцності речовини. Іншими словами, електричний пробій кварцу не відбудеться, тому що опір навантаження R шунтується С.

Нехай час навантаження до максимальної напруги ? 1max = t0 , RC << t0. Тоді

(7)

Час встановлення механічної рівноваги кристала дорівнює tуст ~ h/Cзв, де h -товщина кристала, Сзв - швидкість звуку. Тому t0 ~ 0,1 см/(2· 105см/с)~0,5· 10-6с.

Якщо задатися дійсними параметрами геологічного середовища, то виявляється, що при динамічних навантаженнях в 5· 109 Па максимальне значення струму в розрядному ланцюгові кварцу з площею граней 10-6 м 2 і товщиною 10-3 м складатиме 0.24А. У природі тиски такого розміру можуть виникати при формуванні ударних хвиль у результаті розрядження механічних напруг на момент закладення або активізації розломів.

Проте в реальній геологічній ситуації навантаження змінюється з часом за законом

=a· sin(щ· t), і тоді f(t)=a · щ ·cos(щ · t).

Інтеграл у виразі (5) уявимо у вигляді

(8)

де: Re -дійсна частина значення комплексного інтеграла.

Звідси

(9)

У цьому випадку струм крізь опір R дорівнює

(10)

Дослідимо рівняння (10) за таких умов: нехай характерний час розрядження конденсатора значно менший періоду часу навантаження RСc<< T, крім того, тривалість дії навантаження t0 << T, а також t0 > RC. Ці умови приблизно відповідають розглянутій вище задачі. У цьому випадку справедливе наближення cos ? t0~1, sin щ t0~ щ t0, exp(-t0/RC)~0

Тому

(11)

Тоді, а· щ = ф1 мах/tо, а вирази (11) і (7) співпадають.

Якщо час впливу великий (t >> RC), то третій доданок у (10) можна не брати до уваги. Усереднивши за часом отриманий вираз, знайдемо, що I = 0, тому що соs ·t = sin ·t = 0. Це означає, що струм, який протікає за один півперіод, дорівнює струмові в іншому напівперіоді, але напрямки їх протилежні.

Тому середнє значення за повний період дорівнює нулю. Звідси знайдемо середнє значення квадрата струму:

(12)

Тут А = Sа/RC. Тому що cоs2 (щ· t) = sin2 (щ· t) = 1/2, cоs (?· t) sin (щ· t) = 0, тоді:

(13)

Вираз (13) дорівнює нулю при ? =0 і зростає при , спрямовуючись до

I2 = А2 (RC)2

Таким чином, чим вища частота зовнішнього впливу, тим більше середньоквадратичне значення струму. Висока інтенсивність зростання струму спостерігається при збільшенні ?, якщо RC - дуже мало [(1/RC) >> ?], у протилежному випадку темп зростання I2 незначний.

Підводячи підсумок теоретичному моделюванню, необхідно зробити такі висновки:

1. При динамічних навантаженнях не нижче 5108Па за рахунок розвитку п’єзоефекту в кварцвміщуючих породах, на гранях одного зерна кварцу в залежності від його розмірів виникає різниця потенціалів 0,26 - 26кВ.

2. Електричний струм у розрядному ланцюгові зерна кварцу буде мати місце тільки за впливу динамічного навантаження, прикладеного протягом 5· 10-6с. У протилежному випадку зерно кварцу практично не розряджається, оскільки характерний час його розрядження набагато менший від часу зарядження.

3. Динамічні навантаження 5· 109Па протягом незначного проміжку часу можуть бути реалізовані в природних умовах у результаті проходження ударних хвиль, що супроводжують активізацію й утворення розломних структур, під час землетрусів і вулканічних вивержень. Розрахунки показують, що в цьому випадку в розрядному ланцюгові тільки одного зерна кварцу виникають струми не нижче 0,2-0,3А.

4. Якщо динамічне навантаження змінюється з часом не за лінійним (=a·t), а за синусоїдальним(=asin(w·t)) законом, то тоді середньоквадратичне значення струму в розрядному ланцюгові зерна кварцу за інших рівних умов буде залежати від частоти зовнішнього впливу.

5. П’єзоелектричний ефект є інтегральним, тому рівень його в гірському масиві буде визначатися кількістю і розміром зерен кварцу або інших мінералів п’єзоелектриків.

Непрямим підтвердженням фізико-математичному моделюванню мають бути дослідження природного імпульсного електромагнітного поля Землі (ПІЕМПЗ), проведені на вугільних родовищах Донбасу. Результати досліджень показали, що малоамплітудні порушення фіксуються негативними аномаліями природних електромагнітних полів на поверхні й у гірничих виробках, а зони напруженого стану гірських порід - позитивними. Співставлення карт розривних порушень, складених за даними бурових і гірничопрохідницьких робіт, і тектонічних схем за матеріалами інтерпретації ПІЕМПЗ показало 90% збіг результатів. Більше того, при накладанні цих карт на тектонічну схему глибинних розломів ДДВ, побудовану автором, виявилася така закономірність - розривні порушення в осадовому чохлі Донбасу просторово тяжіють до зон глибинних розломів, наслідуючи їх простягання. Виділені залежності, певно, визначають успадкованість розвитку малоамплітудної тектоніки карбонових відкладень від глибинних розломів фундаменту.

Природні імпульсні електромагнітні поля Землі в цьому випадку мають бути індикаторами розривних порушень як у карбонових відкладеннях, так і у фундаменті й обумовлені тектонічними процесами, що протікають і зараз у цих двох структурних поверхах.

Розділ 3. Вплив термоелектричних полів на склад, текстурно-структурні особливості мінералів і гірських порід.

На сьогодні існують принципові розбіжності в думках щодо фізичних параметрів, відповідальних за метаморфічні перетворення в мінералах і гірських породах. З одного боку - уявлення, засновані на фізичних експериментах із речовинами в області високих тисків і температур , а також термодинамічні розрахунки, не підлягають сумніву, але, з іншого, - існує ряд теоретичних передумов, які свідчать про те, що роль електричних полів у ініціюванні та перебігу фізико-хімічних перетворень може бути дуже істотною, а іноді й превалюючою. Оскільки в геологічних процесах тиск і температура можуть бути постійними на великих площах достатньо довго, то дуже активним енергетичним джерелом, яке виводить фізичну систему зі стаціонарного стану мають стати електричні поля. Аналіз численних публікацій показав, що вплив електричних полів на фізико-хімічні процеси, які проходять у гірських породах і мінералах, експериментально не вивчався. Подібна ситуація пояснюється низкою причин. По-перше, дія слабких електричних полів вважається неефективною і малозначущою. Передбачається, що вплив їх практично не позначається на фізичній системі в цілому і на її окремих елементах. По-друге, багатьох бентежать масштаби геологічного часу, протягом якого проходять фізико-хімічні процеси в мінералах і гірських породах.

У розділі наводиться аналіз відомих даних про зміну фізичних властивостей, складу, текстурно - структурних особливостей мінералів і гірських порід під впливом температури і тиску. Показано, що подібні експериментальні дослідження, присвячені вивченню впливу електричних полів на мінерали і гірські породи, не виконувались.

Беручи до уваги всі перераховані вище міркування і теоретичні розрахунки, наведені в розділі 2, автором здійснені експериментальні дослідження з вивчення комплексного впливу теплових і електричних полів на хімічний склад, структуру, текстуру мінералів і гірських порід.

Схема проведення експериментів така. Досліджуваний зразок встановлювався у центр циліндричного корпусу з нагрівальним елементом і затискався з боків стрижнями - електродами. Для створення надійного контакту між зразками й електродами розміщалася мідна фольга товщиною 0,5 мм, що притискалася зусиллям 15 -20 кг. У одному з електродів, виконаному з осьовою порожниною, розміщалася платино-родієва термопара, відградуйо-вана з точністю +5. Напруга, яка виникала на кінцях термопари, вимірювалась вольтметром. Для пропускання струму крізь зразок використовувалося джерело живлення постійного струму, за допомогою якого встановлювався режим стабілізації за струмом (J=299m) або за напругою (Umax = 299В).

Дослідження проводилися на зразках, вирізаних із кернів або блоків гірських порід у вигляді паралелепіпедів із довгою стороною до 20 мм, короткою - 10 мм. Такий розмір вибирався з урахуванням можливостей установки й основної вимоги, яка ставиться до зразків, при вимірюванні електропровідності мінералів і гірських порід - зразок гірської породи повинен в декілька разів перевищувати розміри зерен, оскільки в протилежному випадку він не може вважатися представницьким через превалюючу роль окремих мінералів або їхнього випадкового сполучення, а також неоднорідності структури.

Експерименти здійснювалися в таких модифікаціях: просте нагрівання зразка (без пропускання струму) до 900К; одноразове нагрівання з одночасним пропусканням струму й охолодження зі струмом; багаторазове (максимально до 4 разів) нагрівання з одночасним пропусканням струму й охолодження зі струмом; нагрівання і одночасне пропускання струму, витримка зі струмом при визначеній температурі протягом 1-3 годин, а потім охолодження зі струмом.

Термоелектричній обробці були піддані яшми з родовищ Південне (Камчатка) і Середнього Побужжя; сидерити Алапаєвського родовища (Урал); сидеритоліти - Білозерського родовища УЩ; залізисті кварцити п'ятого залізистого горизонту саксаганської світи Криворізького залізорудного басейну.

Перед комплексною обробкою у термоелектричних полях усі зразки пройшли хімічні і мінералогічні дослідження, а після експериментів проводився комплекс хімічних, мінера-логічних та рентгено-структурных аналізів.

Перед обговоренням результатів експериментів необхідно відзначити, що параметри електричного поля чітко відповідали розрахунковим (див. розд. 2) і складали: (V300 В/см, J0,3А, T1000К).

Аналіз отриманих експериментальних даних дозволив дійти таких висновків:

1. Всі мінерали і гірські породи, які були були піддані комплексній термоелектричній обробці ( Е300 В/см, Т1000К), зазнають стрибкоподібного зменшення електричного опору (табл.1).

Таблиця 1

Результати комплексної обробки сидеритів і сидеритолітів

Назва,

№№

зразків | Параметри обробки | Початковий опір при 293К, 0м | Температура стрибка,

Тст. , К | Електр.опір в момент стрибка,

Ом

Е, В/см | I, мА

1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6

Сидерит

1 | 320 | 50 | 4106 | 633 | 61048101

2 | 240 | 50 | 7106 | 660 | 1,51048101

3 | 100 | 50 | 1107 | 690 | 104 7101

4 | 66 | 50 | 6106 | 700 | 31041,2102

5 | 0,02 | 50 | 5106 | 720 | 21041,5102

Продовження табл.1

1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6

Сидеритоліт

952/1 * | 50 | 200 | 8106 | 693 | 51062102

952/2 | 300 | 300 | 2107 | 648 | 31051,1102

1015/6 | 300 | 200 | 3,7106 | 680 | 5,61051,3102

1015/7* | 50 | 200 | 8,2107 | 670 | 51065102

1015/11 | 50 | 200 | 1,5108 | 660 | 31051102

989/5 | 50 | 200 | 1,6106 | 740 | 51052,7102

989/4 | 50 | 200 | 8107 | 690 | 9,81052,6102

989/11 | 300 | 200 | 2,5106 | 740 | 5,51052,6102

989/10 | 100 | 200 | 7,7106 | 760 | 1,91055,1101

989/12 | 300 | 200 | 1,9106 | 700 | 1,51052,4101

* вздовж шаруватості

2. Спостерігається залежність між температурою (Тск) у момент стрибкоподібного зменшення електричного опору, напруженістю електричного поля (Еск) і швидкістю нагрівання. Так, з збільшенням напруженості електричного поля Тск зменшується, а зі зростанням швидкості нагрівання - збільшується. Виявлені закономірності добре про-стежуються на мінералах і гірських породах, що містять до 5% домішок. Ріст кількості домішок призводить до більш складних залежностей. У цьому випадку Тск буде визначатися не тільки Еск і швидкістю нагрівання, але й електропровідністю усіх домішок, які містить зразок.

3. На величину Тск і кінцевого опору зразка значний вплив чинять текстурно-структурні особливості. За інших рівних умов, зразки, що мають смугасту текстуру і вміщені в установку шаруватістю паралельно дії