НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ГЕОТЕХНІЧНОЇ МЕХАНІКИ

УДК 552.513: 622.831.322

БАРАНОВ

Володимир Андрійович

СТРУКТУРНІ ПЕРЕТВОРЕННЯ ПІСКОВИКІВ ДОНБАСУ І ПРОГНОЗ ЇХ ВИКИДОНЕБЕЗПЕЧНОСТІ

04.00.16. - Геологія твердих горючих копалин

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора геологічних наук

ДНІПРОПЕТРОВСЬК - 2000

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у відділі геології вугільних родовищ великих глибин в Інституті геотехнічної механіки НАН України (м. Дніпропетровськ)

Науковий консультант - академік НАН України, доктор геолого-мінералогічних наук, професор ЗАБІГАЙЛО Володимир Юхимович.

Офіційні опоненти:

-

-

-

Провідна організація - Інститут геологічних наук НАН України (м.Київ), відділ геології вугільних родовищ.

Захист відбудеться “ 23 ” листопада 2000 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої ради Д 08.080.05 в Національній гірничій академії України, Міністерство освіти і науки України (м. Дніпропетровськ).

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національної гірничої академії України, Міністерство освіти і науки України, за адресою: 49027, м. Дніпропетровськ, пр. К. Маркса, 19, тел.(0562) 47-24-11.

Автореферат розісланий “ 21 ” жовтня 2000 р.

Вчений секретар

спеціалізованої ради Д 08.080.05,

кандидат геолого-мінералогічних наук А.Л. Лозовий

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Перспективи розвитку вугільної промисловості Донецького басейну пов’язані з освоєнням глибоких горизонтів, що призводить до ускладнення технологічних процесів і погіршення безпеки праці. Це пояснюється тим, що роботи виконуються в складних гірничо-геологічних умовах в замкнутому просторі, де відбуваються не завжди прогнозовані явища: раптові викиди порід, гірські удари, суфлярні виділення метану, завалення.

Викид породи і газу – складний процес руйнації газонасиченого масиву, що супроводжується виділенням значних кількостей метану, викидами породи, утворенням порожнин, що перевищують перетин виpобки. Метан, що виділився, створює загрозу вибуху, внаслідок перекиду повітряних вентиляційних потоків і різкого підвищення загазованості виробок. Вибуховою хвилею руйнується кріплення і гірниче обладнання. Порожнини, що утворилися, потрібно закладати з застосуванням необхідних для цього матеріалів. Все це призводить до значних витрат на ліквідацію наслідків даного явища.

З метою запобігання проявів викидів породи і газу розроблені і застосовуються на шахтах поточний прогноз, що проводиться безпосередньо в забоях гірничих виробок, і локальний - за геолого-геофізичними даними. Ведення поточного прогнозу по всій довжині виробки економічно невигідне, а наявність опукло-вігнутих дисків у керні випереджаючих свердловин не завжди характеризує викидонебезпечну ситуацію. Локальний прогноз не вигідно застосовувати при проходці коротких виробок і ухилів. Розробка методу комплексного прогнозу на основі локальної і поточної оцінки викидонебезпечності гірських порід стримується недостатньою вивченістю структурних перетворень пісковиків у процесі катагенезу, недостатньою обгрунтованістю виділення границь викидонебезпечності і їх зв'язку з катагенезом, недостатньою вивченістю розподілу напруженого стану порід і впливу цих властивостей на викидонебезпечність.

Виходячи з вищевикладеного, дослідження структурних перетворень пісковиків Донбасу в процесі катагенезу, обгрунтування локальних і регіональних закономірностей їх викидонебезпечності і розробка, на цій основі, методу комплексного прогнозу викидонебезпечності гірських порід, застосування якого підвищує ефективність і безпеку гірничих робіт на шахтах, є актуальною задачею.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами та темами. Дисертаційна робота виконана відповідно з плановими дослідженнями по найважли-вішій науковій тематиці Інституту геотехнічної механіки НАН України, на осно-ві договору А 219202000 з Мінвуглепромом України. Інституту геотехнічної механіки НАН України було доручене вирішення комплексної проблеми: “Розробити системи контролю, засоби і технології керування станом гранично напружених викидонебезпечних гірських порід і вугілля”. У цей комплекс входить робота: А 219202160 “Розробити комплексний метод прогнозу, заснований на локальній і поточній оцінці викидонебезпечності гірських порід”, відповідальним виконавцем якої є автор. Результати робіт із дослідження викидонебезпечності для розробки методу комплексного прогнозу ввійшли складовою частиною в дисертаційну роботу.

Мета та задачі дослідження. Метою роботи є встановлення особливостей структурних перетворень пісковиків Донбасу, зв'язку цього процесу з викидонебезпечністю і розробка на цій основі теоретичних положень і практичних критеріїв методу комплексного прогнозу викидонебезпечності гірських порід.

Для досягнення поставленої мети потрібно вирішити ряд задач:

- встановити закономірності структурних перетворень пісковиків Донбасу і визначити їх вплив на катагенетичні зміни;

- встановити регіональні структурно-мінералогічні особливості вуглевміщуючих пісковиків Донбасу, що виникають у процесі катагенетичних перетворень і тектонічних напруг;

- встановити стратиграфічні закономірні зміни структурних перетворень пісковиків Донбасу і їх зв'язок із викидонебезпечністю порід і катагенезом;

- розробити науково обгрунтований метод комплексного прогнозу викидонебезпечності з урахуванням встановлених закономірностей структурних перетворень порід.

Ідея роботи полягає у визначенні закономірних зв'язків структурних перетворень вуглевміщуючих пісковиків з викидонебезпечністю гірських порід.

Методи дослідження. Були використані як традиційні в геології методи: петрографічні, літолого-фаціальні, математичні, метод аналогій, методи структурної геології, геокартувания, так і розроблені автором - метод визначення відносної порушеності мінералів і порід, метод визначення гpаниць викидонебезпечності порід і стадій катагенезу, метод визначення зони впливу свердловини на викиди в вугіллі і породах, метод визначення ступеня ізотpопного й анізотропного напруженого стану гірських порід у гірничих виробках, метод комплексного прогнозу викидонебезпечності пісковиків Донбасу. Всі розpоблені методи мають зв'язок із структурними перетвореннями порід.

Наукові положення, що захищаються автором:

1. Структурні перетворення є одним з основних результатів катагенезу пісковиків Донбасу.

2. Катагенетичні перетворення разом із тектонічними напругами значно ущільнили пісковики Донбасу порівняно з пісковиками інших басейнів, що призвело до збільшення закритої пористості в них, виникнення всерединізернових і міжзернових сутурних, стилолітових і цілого комплексу інших пластичних деформацій, до слабкого розвитку процесів регенерації і корозії, відсутності ефекту Рікке, формування губчатої структури в породоутворюючому кварці.

3. Кількісний показник структурних перетворень і тектонічних напруг, який виражається коефіцієнтом відносної порушеності кварцу пісковиків, у поєднанні зі значеннями відкритої пористості цих же порід, визначають границі викидонебезпечності пісковиків.

4. Основою методу комплексного прогнозу викидонебезпечності гірських порід є оцінка геологічних показників викидонебезпечності і ступеня анізотропії напружено-деформованого стану гірничого масиву.

Наукова новизна одержаних результатів роботи полягає в тому, що:

- встановлена властивість порід (пісковики Донбасу, джеспіліти Кривого Рогу, трепели, глинисті сланці Криму), мінералів (уламковий кварц пісковиків Донбасу, галіт, гірський кришталь, кремінь), мінералоідів (вугілля, янтар), штучних речовин (скло, епоксидна смола) утворювати системи площин ковзання, субпаралельні за напрямком і з сумірними відстанями між ними при анізотропному розподілі енеpгетичного впливу, і кристалоподібні тіла, сумірні на різних ієрархічних рівнях, при ізотропному розподілі енергетичного впливу;

- у вуглевміщуючих пісковиках Донбасу встановлене формування комплексу пластичних мікродеформацій (всерединізернових і міжзернових сутур і стилолітів, губчатої структури, вигнутих і S - подібних площин деформацій, полум’євидної структури), що виникають і перетворюються під дією прогресивних катагенетичних і тектонічних процесів;

- встановлене загальне збільшення карбонатності, гідрослюд магнієвого складу, уламків ефузивів і діабазів у північно-східних районах і кремнію, кременистих новоутворень, уламків яшмоідів і слюдистих кварцитів у південно-західних районах Донбасу;

- встановлене зменшення середніх розмірів уламкових зерен вуглевміщуючих пісковиків Донбасу, а також, зменшення значень коефіцієнтів варіації і ступеня дисперсії цих розмірів із ступенем катагенезу;

- встановлений ступеневий кореляційний зв'язок значень відкритої пористості зі значеннями коефіцієнту пластичних мікродеформацій уламкових зерен, що має дві точки інверсії, у яких відбувається зміна знаку цього зв'язку з негативного на позитивний і з позитивного на негативний, зміна властивостей пісковиків Донбасу на якісному рівні і ступеня їх викидонебезпечності;

- встановлена закономірна зміна ступеня викидонебезпечності порід в залежності від ступеня анізотpопії розподілу напружено-деформованого стану в гірничому масиві на локальному рівні.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що:

- розроблений коефіцієнт відносної порушеності гірських порід, який хаpактеpизує ступінь катагенетичних перетворень і тектонічних напруг, а також, ступінь викидонебезпечності гіpських порід;

- розроблена методика визначення регіональних меж викидонебезпечності гірських порід і ступеня катагенетичних перетворень;

- розроблений метод визначення ступеня анізотропії напружено-деформованого стану гірничого масиву;

- розроблений метод визначення зони впливу геологорозвідувальних свердловин на викидонебезпечність вугілля і вуглевміщуючих порід;

- розроблений метод комплексного прогнозу викидонебезпечності гірських порід на основі раціонального комплексу геологічних і гірничотехнологічних критеріїв викидонебезпечності.

Реалізація роботи в промисловості:

- проведена експериментальна перевірка методу комплексного прогнозу викидонебезпечності гірських порід у гірничих виробках шахт "Красноармійська-Західна-1" і ім. О.Г. Стаханова ВО "Красноармійськвугілля", що показала надійність, достовірність і економічну ефективність застосування розробленого методу прогнозу;

- метод комплексного прогнозу впроваджений на шахті ім. О.Г. Стаханова, при виконанні прогнозу викидонебезпечності пісковика L1Sl1;

- геологорозвідувальним організаціям Державного Комітету по геології і використанню надр України і Мінвуглепрому України передані і рекомендовані для застосування методика визначення коефіцієнту відносної порушеності, методика визначення регіональних границь викидонебезпечності гірських порід і методика визначення ступеня анізотропії напpужено-деформованого стану гірничого масиву.

Достовірність і надійність наукових положень і висновків підтверджується необхідним і достатнім обсягом результатів експериментальних досліджень і фактичних даних, науковою обгрунтованістю методичного підходу до аналізу отриманих експериментально і відомих з літератури фактів, а також, збіжністю результатів визначення ступеня напруженого стану гірничого масиву і ступеня його анізотропії з результатами інших методів на різних ієрархічних рівнях.

Особистий внесок здобувача. Автором дисертації обгрунтовані ідея та науково-практичний напрямок у вирішенні проблеми комплексного прогнозу викидонебезпечності пісковиків Донбасу; визначені мета та задачі дослідження; зформульовані наукові положення, що виносяться на захист, висновки та рекомендації; встановлені закономірності структурних перетворень пісковиків на площі та в стратиграфічному розрізі Донбасу; визначені умови формування кристалоподібних тіл та систем площин ковзання; встановлені всерединізернові сутурні і стилолітові мікродеформації, утворення губчатої структури в зернах кварцу, зменшення середніх розмірів, значень коефіцієнтів варіації і ступеня дисперсії уламкових зерен пісковиків Донбасу з палеоглибиною; розроблений показник пластичних мікродеформацій гірських порід; розроблені методики кількісної оцінки границь викидонебезпечності гірських порід, ступеня катагенетичних перетворень, ступеня анізотропії напружено-деформованого стану гірничого масиву, зони впливу геологорозвідувальних свердловин на викидонебезпечність вугілля і порід; розроблений науково обгрунтований метод комплексного прогнозу викидонебезпечності гірських порід.

Апробація роботи. Матеріали дисертаційної роботи на окремих етапах її виконання доповідались на засіданнях Всесоюзної наукової школи в Сімферопольському державному університеті (м. Сімферополь, 1990, 1998 р.), на Всесоюзному мінералогічному семінаpі в Інституті геології КоміНЦ (м. Сиктивкар, 1989, 1992 р.), на Всесоюзній Науковій конференції вузів СРСР за участю науково-дослідних інститутів (м. Москва, 1991 р), на Всесоюзних конференціях в ІГГГК НАН України (м. Львів, 1991, 1992, 1995 р.), на наукових конференціях у НГА України (м. Дніпропетpовськ, 1995, 1997, 1998, 1999, 2000 р.), на міжнародній конференції в ДГМІ (м. Алчевськ, 1999 р.), на наукових семінарах відділу геології вугільних родовищ великих глибин ІГТМ НАН України (м. Дніпропетровськ, 1985 - 2000 рр).

Публікації. Результати дисертації надруковані в 43 наукових працях, які видані після захисту кандидатської дисертації, з них 21 - без співавторів. Керівництво в співавторстві - 1; статей у наукових журналах - 16; статей у збірниках наукових праць – 8; авторських посвідчень і патентів - 5; статей депонованих у ВІНДТІ і ДНТБ України - 3; матеріалів і тез наукових конференцій - 10. Таким чином, у спеціалізованих виданнях опубліковані 24 роботи (із них 15 без співавторів), включно з 3 патентами.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація є рукописом, що складається із вступу, семи розділів, висновків, списку використаних джерел з 287 найменувань та 10 додатків. Обсяг дисертації становить 295 сторінок машинописного тексту, з яких 255 сторінок основного тексту, містить 33 таблиці, 46 малюнків.

Автор вдячний науковому консультанту, академіку HАH України, доктору геолого-мінералогічних наук, професору В.Ю. Забігайлу за постійну увагу, допомогу і підтримку, надану ним пpи виконанні pоботи.

Наукові консультації і практичну допомогу у виконанні досліджень і експериментів, у реалізації наукових ідей, їх критичній оцінці і перевірці на різних етапах виконання робили доктор геолого-мінералогічних наук В.В. Лукінов, кандидати геолого-мінералогічних наук С.С. Козлов, В.О. Гончаренко, Л.І. Пимоненко, М.О. Пимоненко, І.В. Дудок, О.Є. Іванців, інженер Л.Ф. Маметова, за що автор їм глибоко вдячний.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Розділ 1. Аналіз стану проблеми та задачі дослідження

Розвитку теоретичних і практичних аспектів проблеми викидонебезпечності порід і вугілля присвячені роботи Ф.О. Абрамова, А.Д. Алексєєва, В.Г. Бєлоконя, М.І. Большинського, О.М. Брижаньова, А.І. Боброва, А.Ф. Булата, В.Ю. Забігайла, А.М. Зоріна, Б.М. Іванова, О.І. Кравцова, В.В. Кірюкова, В.В. Лукінова, В.І. Ніколіна, Г.А. Шевельова, О.З. Широкова та інших вчених.

У дослідження проблем напружено-деформованого стану поpід Донбасу, катагенетичних перетворень, закритої мікропористості, пластичних деформацій зробили значний внесок М.Б. Вассоєвич, Д.П. Григор'єв, Х.Ф. Джамалова, М.П. Єрмаков, М.А. Єлисєєв, П.В. Зарицький, В.А. Калюжний, В.Г. Колесніков, В.О. Корчемагін, А.В. Копеліович, Г.А. Каледа, Г.В. Карпова, О.С. Лизун, М.В. Логвиненко, А.Є. Лукін, Є.К. Лазаренко, В.І. Муpавйов, В.М. Нагорний, Ю.М. Нагорний, В.І. Павлишин, Л.Б. Рухін, А.Я. Радзивілл, М.М. Страхов, Ю.М. Сеньковський, О.І. Слензак, В.І. Узіюк, В.Ф. Шульга й інші дослідники.

Аналіз робіт, присвячених структурним перетворенням мінералів і порід, їх зв'язку з катагенезом і викидонебезпечністю, показує низький рівень вивчення зазначених зв'язків і пов'язаних із цим закономірностей. Ряд проблем залишився без остаточного рішення. До основних відносяться: встановлення особливостей структури пісковиків Донбасу, обгрунтування і прогноз нижньої і верхньої границі викидонебезпечності, визначення структурних перетворень з палеоглибиною і зв'язок цих змін з викидонебезпечністю.

Закономірності вторинних перетворень вуглевміщуючих порід Донбасу вивчені недостатньо. Почасти це пов'язано з тим, що Донбас, у силу несприятливих природніх умов, вважався малоперспективним у відношенні газонафтоносності. Це одна з основних причин, внаслідок якої так мало робіт із петрографії і мікроструктурних перетворень порід Донецького карбону.

Огляд наукових праць з викидонебезпечності, структурних перетворень порід Донбасу та їх зв’язок з викидонебезпечністю, дозволив визначити важливу наукову і практичну проблему, зформулювати мету і задачі досліджень, що приведені в загальній характеристиці роботи.

Розділ 2. Методика досліджень

Методичною основою роботи було дослідження структурних перетворень пісковиків Донбасу на різних стадіях катагенезу у дев'ятьох геолого-промислових районах, із південно-західних околиць до північно-східного борту, визначення особливостей цих перетворень і їх зв'язок із викидонебезпечністю. У роботі подані результати емпіричних досліджень геологічних об'єктів на двох рівнях організації - для мінералів і гірських порід.

Для одержання порівняльних характеристик структурних змін в різних за складом та ступенем перетворення породах додатково вивчалися джеспіліти Кривого Рогу, сланці Криму, вапняки Дніпровсько-Донецької западини, трепели Придніпров'я, кремінь і сіль Артемівська, янтар із Прибалтики, гірський кришталь Уралу, скло, епоксидна смола, вугілля Донбасу.

У якості основних і найбільш апробованих методів використовувалися оптична й електронна мікроскопія. При оптичних дослідженнях під мікроскопами ПОЛАМ - Р111 і МБС - 2 вивчалися шліфи, плоско-паралельні пластини без покрівних скелець, природні відколи, аншліфи, при збільшеннях від 3,5Х до 1000Х. Використовувалися прохідне, відбите і бічне світло, рахунковий пристрій типу ПМН - 1, препаратоутримувач типу СТ - 12, фотоапарат ZENIT - TTL. Метод просвічуючої електронної мікроскопії (ПЕМ) використовувався з застосуванням приладу ЕМВ - 100Л. Дослідження виконувалися при збільшеннях від 2Х до 100Х тисяч методом двохступінчатих вуглецевих реплік.

Структурні перетворення пісковиків Донбасу визначалися якісно (види і підвиди пластичних мікродеформацій, їх системи, форма, розмір і розподіл газорідинних включень в уламковому кварці) і кількісно (за допомогою коефіцієнту відносної мікропорушеності Кп, %, що враховує процентну кількість уламкових зерен кварцу з мікродеформаціями). Для опрацювання отриманих результатів використовувалися узвичаєні методи математичної статистики та обробка даних на персональному комп'ютері типу PENTIUM.

Основними об'єктами досліджень були діючі шахти і ділянки розвідки в таких районах: Павлоградсько-Петропавлівському, Красноармійському, Південно-Донбаському, Донецько-Макіївському, Центральному, Чистяково-Сніжнянському, Алмазно-Мар’ївському, Луганському, Краснодонському. Проби відбиралися з керну геологорозвідувальних свердловин і з забоїв гірничих виробок шахт. Усього було відібрано, описано і вивчено понад 2000 проб пісковиків.

У цілому, для рішення зформульованих задач використані методи, прилади й апаратура, що дозволяють у наш час одержати найбільш надійну і достовірну інформацію, а також фактичні дані про структурні зміни, катагенетичні перетворення, викидонебезпечність гірських порід. Комплекс методів досліджень містить польові роботи: відбір проб із керну геологорозвідувальних та випереджаючих свердловин у шахтах, забоїв гірничих виробок; літолого-фаціальний опис керну свердловин і забоїв гірничих виробок; камеральні роботи: збір первинних геолого-геофізичних матеріалів за даними каротажних діаграм; визначення структурних петрографічних показників і мінералогічного складу у відібраних пробах; електронно-мікроскопічні дослідження різноманіт-них за складом і структурою речовин методом двохступінчатих вуглецевих реплік, отриманих із відколів цих речовин; побудову розрізів, карт поширення палеопотоків і ізопахіт пісковиків; лабораторні методи визначення геологічних показників викидонебезпечності гірських порід; математичні і графічні методи опрацювання результатів досліджень; методики і результати експериментальних робіт на шахтах і приймальних іспитах методу комплексного прогнозу викидонебезпечності гірських порід.

Вибір критеріїв викидонебезпечності, розробка нових показників і удосконалення раніше застосовуваних, виконані на основі зібраних матеріалів, методів і показників, розроблених автором і використаних у роботі. Розроблені методи описані в тексті у певних главах.

Розділ 3. Структурні перетворення на різних рівнях організації речовини

На думку М.В. Логвиненка, М.Б. Вассоєвича та багатьох інших вчених – структура речовини є чутливим індикатором впливу зовнішніх умов середовища і відображає термобаричні та фізико-хімічні зміни, які проходять в процесі катагенетичних перебудов.

Аналіз літературних та емпіричних даних дозволив автору дисертації встановити, що катагенетичні зміни, газодинамічні явища, розподіл газів в закритих і відкритих порах мінералів та порід, явища фільтрації і дифузії, зміна колекторських і фізико-механічних властивостей теригенних відкладів мають якісні і кількісні зв’зки зі структурними претвореннями.

Накопичений в період седиментогенезу осадок проходить цілий ряд фізико-хімічних перетворень, які приводять до певних якісних змін, в першу чергу, структури речовини. Пісок, в умовах літогенезу, перетворюється в пісковик, останній – в кварцит; торф перетворюється у вугілля, а останнє – в графіт. Зміна назви первинної речовини характеризує якісний стрибок її властивостей на новий рівень. В перервах між цими якісними перетвореннями, згідно з загальновідомими геологічними законами, проходить накопичення потенційної енергії в породі за рахунок зміни температури, тиску, фізико-хімічних і фізико-механічних перетворень.

Структурні перетворення в дисертаційній роботі розглядаються як процес сукупних змін форми, розміру, порушення цілісності речовини від кристалічної гратки до тріщин і макродеформацій.

Наближення структури всіх речовин до сітки правильної форми, виявлене вченими за допомогою оптичних приладів ще в середині Х1Х сторіччя. В.І. Вернадський (1988), на основі детального аналізу літературних даних, прийшов до висновку, що причина утворення правильних форм речовини полягає в основних принципах вчення про енергію і про умови рівноваги молекулярних систем.

Наприкінці XIX сторіччя, початку XX А.П. Карпінський (1888), У. Хоббс (1904), Р. Зондер (1938), Г. Штілле (1947,1964), М.С. Шатський (1946) і інші встановили існування мережі розломів на мегарівні.

Нарешті, Е.М. Смєхов (1961,1974), С.С. Шульц (1983), Д.І. Гарбар (1973) і інші дослідники, на основі великого фактичного матеріалу встановили, що тріщинуватість здебільшого розвивається в гірських породах зовсім не хаотично, а складена в правильні системи тріщин, які утворюють певні геометричні сітки.

Таким чином, до середини XX сторіччя утворення тіл правильних геометричних форм було встановлене на оптичному, макроскопічному (тріщини) і мегарівні (лінеаменти). Приблизно з початку 80-х років багато дослідників почали відзначати геометричні правильні форми різних розмірів, в різних речовинах.

Дослідження, виконані автором під електронним мікроскопом, при сприянні М.О. Пимоненко, дозволили в вугіллі, а потім у кварцових зернах вуглевміщуючих пісковиків середнього карбону встановити сліди площин ковзання. Незвичною була витриманість відстаней між слідами площин ковзання і сумірність їх у вугіллі і кварці. Пізніше, на площинах зколів зазначених речовин були встановлені частки правильних геометричних форм, що виявилися продуктом руйнації цих речовин з розмірами від 1-2 до 35-40 мк. Привернула увагу чіткість геометричних форм мікрочастинок кварцу, адже відповідно до узвичаєної думки спайність у кварці відсутня або дуже недосконала по ромбоедру, а це суперечило отриманим фактам.

За даними Мінералогічної енциклопедії (1985), на початок 80-х років електронно-мікроскопічним і оптичним методами встановлені одинадцять систем пластичного ковзання в кварці, частина їх була встановлена в штучно деформованому синтетичному кварці. Характерно, що за результатами наведених досліджень, у кожному зразку спостерігається тільки невеличке число систем ковзання - звичайно в межах чотирьох. Це правило підтверджене для кварцу пісковиків Донбасу.

Наступні дослідження дозволили автору дисертації виявити частки кристалоподібної форми на відколах у янтарі, солі, склі, кремені, вугіллі, гірському кришталі, епоксидній смолі, що були названі квазікристалами. Майже у всіх досліджуваних під електронним мікроскопом речовинах були встановлені дві фракції часток кожної речовини. Розміри менших фракцій змінюються від 2,0 мк для янтарю з Калінінграду до 6,8 мк для тонкого віконного скла (h = 4 мм). Розміри великих фракцій варіюють від 6,8 мк для вугілля Донбасу і янтарю, до 13,2 мк для тонкого віконного скла. Середні розміри більшої і меншої фракцій для певної речовини відрізняються в два - три рази, тому для речовин із частками двох фракцій були розраховані показники або коефіцієнти фрактальності, відповідно Е. Федеру (1991). Даний показник для розглянутих речовин змінюється від 1,30 для кременя, до 2,77 для янтарю з Калінінграду.

Перераховані речовини мають значну гаму фізико-механічних, кристалографічних, фізико-хімічних і інших розбіжностей, але форма часток і розміри для кожного рівня цілком співставляються. Найбільш прийнятним поясненням даного явища, мабуть, можна вважати прагнення речовини до термодинамічної рівноваги, що дозволяє зробити такий висновок: зміна термодинамічної рівноваги речовини є причиною його структурних перетворень.

Значення гострих кутів квазікристалів змінюються від 600 для янтарю з Калінінграду, до 780 для солі з Артемівська. Кут 600 виявився критичним, а квазікристали з гострим кутом менше 600 не встановлені.

Паралельно проводилось вивчення речовин на оптичному мікроскопі типу ПОЛАМ-РIII і бінокулярі МБС-1. У якості препаратів використовувалися стандартні шліфи гірських порід, відколи різноманітних речовин і частки речовини, що утворюються внаслідок її руйнації (розколу).

Для пошуку кристалоподібних часток різноманітні речовини розколювалися, за логікою, у місцях пластичних деформацій, а частки, що утворюються при цьому, збиралися на препаратне скло і проглядалися під мікроскопом у відбитому і прохідному світлі. Такий підхід дозволив виявити частки з кристалоподібними формами у всіх, перерахованих вище для електронної мікроскопії, речовинах.

Таким чином, електронно-мікроскопічним і оптичним методами були встановлені системи площин ковзання, як результат анізотропії напруженого стану речовини, із наступним утворенням пластин сумірної товщини і таблитчатої (сітчастої) структури, як результат ізотропії напруженого стану речовини і далі, з утворенням тіл кристалоподібної форми. Абсолютна ізотропія порід і мінералів - явище рідкісне і, як наслідок його, є утворення сітки або часток із рівними сторонами, тобто квадратів або ромбів у плані. Оскільки неповна ізотропія зустрічається частіше, результатом цього є утворення сітки або часток подовженої форми з коефіцієнтом форми а/в (відношення довжини до ширини) від 1,1 до 2,0.

Підтвердженням наявності зазначених геометричних сіток є утворення окремості в різноманітних породах і мінералах, як в наслідок термодинамічних процесів, так і синерезису. Але окремість і геометричні сітки тріщин утворюються в ізотропних умовах перерозподілу енергії, у випадку ж анізотропії - утворюються площини ковзання, що розбивають масив на паралельні прошарки. Сюди можна віднести кліваж, утворення опукло-вігнутих дисків в керні свердловин.

На стінках порожнин викидів порід утворюється так звана "луска", а пісковик у місці викиду ділиться на так звані “п'ятаки”. Характерно, що "луска" і “п'ятаки” часто мають геометричні форми, що вказує на ізотропію напруг у місці викиду. Товщина зазначених часток приблизно на порядок менше середніх розмірів, що встановлені фактичними замірами значної кількості цих часток (більш 1000). Цікавий факт утворення квазікристалів (луски кристалоподібних форм), що відрізняються розмірами у різних місцях викидів порід і на різних шахтах, можна пояснити різним ступенем напруги.

На Криворіжжі, на залізорудних шахтах, використовується плазмове розбурювання технологічних свердловин до заданих розмірів. Свердловину діаметром до 12 см розширюють до діаметру в декілька десятків см, за допомогою смолоскипу і прогріву порід. Нагріта порода стінок свердловини відлущується й обсипається вниз. Аналіз цієї луски виявив цікаву деталь. У тупикових свердловинах, де прогрів йде більш повно (немає продування), велика частина луски має правильні геометричні форми. У відкритих свердловинах (або наскрізних), де є природне продування, таких часток немає або дуже незначна кількість.

Факти, наведені вище, мають одне загальне пояснення - геометричні сітки є наслідком процесу пластичних деформацій, що пройшли в максимально повному обсязі. Якщо цей процес не завершений, геометрична сітка не утвориться, а значить не утворяться квазікристали, або їх кількість буде дуже незначна. Тому наявність квазікристалів на різних ієрархічних рівнях є свідченням певних умов перерозподілу зовнішніх або внутрішніх напруг у речовині.

Для магматичних порід окремість, кліваж, блочність - загальновідомі факти. У літературі достатньо повно описане утворення паралелепіпедоподібної, ромбоедричної та інших видів окремості в магматичних породах, що є частиною більш загальної властивості речовини структуруватись під впливом зміни енергетичного стану. Утворення блоків правильних форм у породах Донбасу зі стороною 300-350 метрів вперше описане Г.А. Івановим, Л.І. Сарбеєвою (1940).

У дисертаційній роботі розглянуті умови, що призводять до утворення квазікристалів. Утворення сотових або сітчастих структур у мінералах інтрузивів, як наслідок поліморфних перетворень, викликає зміну їх питомої ваги й об’єму. Цей процес уперше пояснений О.Є. Ферсманом у 20-і роки на прикладі - перетворень кварцу, що викликають скорочення об’єму його зерен при охолодженні породи від 600 до 3000 С на 5,36 %, а пізніше описаний для інших мінералів. Таким чином, при поліморфному перетворенні або при переході однієї модифікації мінералів в іншу, відбувається зміна структури, що призводить до утворення сіток або сотів речовини з правильними геометричними формами. Цей процес слід вважати вторинним, накладеним.

Змінюються умови, речовина переходить із стабільного в метастабільний стан і структура речовини змінюється, набуваючи енергетично оптимальну для нових умов форму. Такий процес, добре вивчений і описаний, відбувається при зміні форми включень. За даними Г.Г. Леммлейна (1951), М.П. Єрмакова (1972), В.О. Калюжного (1982), форма включень намагається набути енергетичну рівновагу і, у кінцевому рахунку, форму мінералу-хазяїна, незалежно від того, первинне включення чи вторинне.

Утворення тіл правильних геометричних форм відбувається й в організмі людини. Ниркові і жовчні конкременти часто мають відносно правильні геометричні форми: призми, піраміди, скаленоедри, біпіраміди. Конкременти, що мають огранені форми, складаються з ядра, тіла і коркової частини. Ядро завжди аморфне, тіло умовно можна розділити на дві зони: безформну і формотворну. Друга відрізняється від першої наявністю концентрично-зональної структури. Утворення форми залежить від умов і складу речовини (наявності мінеральних домішок). Ядро і внутрішня частина (безформна) тіла при сприятливих умовах формують квазікристалічні осі, що відрізняються підвищеним енергетичним потенціалом, по котрим наростання речовини йде з більшою швидкістю. Прагнення до природного огранювання зумовлене тим, що воно забезпечує найменшу поверхневу енергію тілу речовини при даному його об’ємі. Ця властивість термодинаміки справедлива і для утворення форми включень у мінералах. Оскіль-ки утворення форми конкременту відбувається в процесі росту, його варто віднести до первинних, генетичних або ростових.

Приблизно за таким же сценарієм йде процес утворення клатратів у газогідратах; утворення правильних груп кратерів із шестикутними стінками в погаслих вулканах, описане доктором фізико-математичних наук М.І. Рабіновичем (1991); утворення фулеренів, відкритих у 1985 році, що мають вигляд порожнистого багатогранного тіла, подібного до футбольного м'яча; чотирьох-, п’яти- або шестигранних полігонів на поверхні грунтів, як наслідку морозних тріщин.

За даними Ю.А. Косигіна та ін. (1983, 1986), рівномірнозернисті піски, що складаються з добре окатаних сферичних зерен, при найбільш щільній укладці будуть мати правильну тетраедричну гратку із рівною відстанню між центрами мас суміжних зерен. Піски з менш щільною укладкою можуть мати правильну кубічну гратку з рівною відстанню між центрами мас зерен, які стикаються. Первинну структурну одиницю даний автор іменує елементарним вічком, "гніздом" або ритмом і вважає, що аналогічні гратки можуть існувати також у рівномірнозернистих кристалічних породах.

У Термінологічному довіднику з тектонічної термінології (1970) вказується, що в таких елементарних вічках, іменованих там тілом, існують вектори упорядкованості, центри, осі і площини симетрії, у цих вічках можна визначати градієнти структурної анізотропії по кожному вектору і виявляти властивості межі тіла "зсередини". Варто звернути увагу на те, що мова тут йде про квазіосі, оскільки це не кристалічні осі мінералів. Що стосується векторів упорядкованості, виникнення центрів і площин симетрії квазікристалів, то наочним прикладом цього явища є згадані вище конкременти з формою багатогранників. Зазначені вище властивості таких квазікристалів наочні і прості у вивченні.

Таким чином, при певних термодинамічних умовах породи, мінерали, мінералоіди, речовини, отримані штучним шляхом, приймають кристалоподібні форми, як наслідок ізотропії енергетичного стану даної речовини, або утворюють субпаралельні площини ковзання, як наслідок анізотропії енергетичного стану речовини. Ця властивість може бути первинною, тобто виявлятися в період формування даної речовини (конкременти, клатрати в газогідратах, квазікристали або вічка в піску і т.д.) і вторинною, тобто виявлятися в період повторного перетворення або енергетичної еволюції речовини (окремість у мінералах і породах, при викидах порід і термообробці, при поліморфних перетвореннях і утворенні включень геометричних форм). Ця властивість існує в природі, її можна відтворити в лабораторних умовах.

Відповідно до законів термодинаміки, мінімумом вільної енергії володіють тіла з найбільшою упорядкованістю і компактністю розташування структурних часток. Таким чином, точно так само, як при кристалоутворенні, природа конструює для різних речовин визначену форму первинного елементарного вічка і відповідну мікроформу мінералів, так і при зміні енергетичного стану, природа створює в різноманітних речовинах квазікристалічні форми, енергетично більш вигідні і стійкі.

Вищесказане означає, що різні речовини взагалі і гірські породи зокрема, в різних природніх умовах стають більше чи менше стійкими до руйнації. Дослідження структурних перетворень мінералів і порід дозволяє визначити ці умови і прогнозувати зміну властивостей досліджуваних об’єктів.

Розділ 4. Структурні перетворення пісковиків Донбасу

У даному розділі процес структурних перетворень подається з огляду на конкретні умови для вуглевміщуючих пісковиків Донецького басейну. При рішенні цієї задачі був розроблений кількісний показник, що відбиває структурні зміни при енергетичних впливах.

У породоутворюючому кварці вуглевміщуючих пісковиків Донбасу встановлені всі відомі раніше види пластичних мікродеформацій, які з’явилися в наслідок катагенетичних і тектонічних напруг у масиві. На основі цих даних був розроблений коефіцієнт, що враховує сліди пластичних деформацій і відбиває ступінь відносної порушеності пісковиків.

Для розрахунку зазначеного коефіцієнта відносної порушеності гірських порід була розроблена емпірична формула:

Кп. = (m / M) 100 %, (1)

де m - сумарна кількість породоутворюючих мінералів зі слідами пластичних мікродеформацій;

M – сумарна кількість досліджуваних породоутворюючих мінералів піщаної фракції.

Описані показники визначаються за допомогою оптичного мікроскопу із збільшеннями від 60 до 100 крат при бічному освітленні в стандартних шліфах. Бічне освітлення виявляє газорідинні включення на темному полі мінералів і таким методом вони достатньо чітко ідентифікуются. Газорідинні включення, що декорують пластичні мікродеформації, одержали назву “бемівське штрихування”. Для виконання підрахунків необхідно переглянути 200-250 уламкових зерен породи.

За літературними даними і результатами досліджень, було встановлено, що для кожного конкретного регіону характерне переваження якогось одного виду мікродеформацій. Для осадочних порід Донбасу таким видом є смужки Бема - площини пластичних деформацій у породоутворюючих мінералах, декоровані газорідинними включеннями. Причиною цього стала, мабуть, велика кількість газів, що знаходяться під тиском серед карбонових пісковиків Донбасу і проникають в площини пластичних мікродеформацій під час їх утворення. У кількісному відношенні смужки Бема займають до 60-80 % від загального обсягу мікродеформацій порід Донбасу.

Для дослідження палеонапруженого стану порід Донбасу на мікрорівні відібрані проби вуглевміщуючих пісковиків у забоях шахт і з керну геологороз-відувальних свердловин. З відібраних проб готувалися стандартні шліфи поперек шаруватості, в яких визначались мінералогічний склад і наведені вище показники. Усього було досліджено більше 2000 шліфів і, відповідно, проб пісковиків, відібраних серед відкладів карбону 18 шахт і ділянок семи геолого-про-мислових районів Донбасу. Райони досліджень вибиралися від периферії басейну до центральної його частини і далі від центру до периферії. Таким чином, досліджувалися породи від південно-західного борту басейну, до північно-східного. Вивчалися пісковики, які вміщують вугілля марок “Г”,”Ж”, ”К”,”ПС”,”П”, семи вугленосних світ нижнього: С13, С14 і середнього карбону: С23 - С27.

Відповідно до отриманих результатів, значення коефіцієнтів варіації показника порушеності в цілому зменшуються від периферії до центральної частини басейну і зі збільшенням палеоглибини. Середні значення цього показника навпаки, збільшуються від периферії до центральної частини Донбасу і з ростом палеоглибини. Аналіз наведених значень по кожному району дозволяє зробити висновок про збільшення середніх значень порушеності з палеоглибиною до певної межі. Причому, для прибортових районів (Красноармійського, Краснодонського) це малопомітно, а в центральних районах проявляється значно інтенсивніше.

Для Донецько-Макіївського району показник порушеності зростає до палеоглибини в районі розвитку вугілля "ПС", потім значення зменшуються. Для Центрального району ці значення теж збільшуються до порід вміщуючих вугілля марки "ПС", але диференційовано, що вказує на неспівставимість отриманих значень із параметрами ступеня вуглефікації, що характеризують ступінь катагенезу і палеоглибину. Отримані результати вказують на прояв як регіональних, так і локальних закономірностей формування мікропорушеності.

Отримані дані співставлялись з показниками тектонічної порушеності на макрорівні, по Л.І. Пимоненко (1990). Співставлення показало хвилеподібний характер зміни середніх значень пластичних мікродеформацій для досліджуваних геолого-промислових районів як у плані, так і по розрізу вуглевміщуючої товщі. Показники макропорушеності, також збільшуються від периферії до центральної частини басейну.

Отримані результати показують якісний зв'язок ступеня зміни мікроструктури з дією тектонічних напруг. Таким чином, дослідження на мікрорівні відображають ступінь напруженого стану як у регіональному масштабі, так і на окремо взятих шахтних полях або ділянках розвідки. З економічної точки зору даний метод достатньо надійний і простий у виконанні.

Відповідно до задач роботи вивчались пісковики Донбасу, в яких описані пластичні мікродеформації. Для цього використані шліфи проб вуглевміщуючих пісковиків південно-західної частини Донбасу: Павлоградсько-Петропавлівсь-кий, Красноармійський і Південно-Донбаський райони, центральної його частини: Донецько-Макіївський, Центральний і Чистяково-Сніжнянський райони і північно-східної частини: Алмазно-Мар’ївський, Луганський і Краснодонський райони. Таким чином, вивчені проби дев'ятьох районів Донбасу.

Отримані результати показують, що прибортові райони Донбасу характеризуються більш значним розвитком корозії, регенерації, розчинення і перевідкладення мінеральної речовини пісковиків у порівнянні з центральними районами. Максимально зазначені процеси реалізувалися в Павлоградсько-Петропавлівському районі, де тектонічні процеси проявилися мінімально, у вигляді скидів. У цілому, для досліджуваних районів Донбасу характерне підвищення карбонатності в цементі пісковиків із південно-західних околиць до північно-східного борту. Відзначається різний склад уламків порід у пісковиках. Так, для південно-західних районів типові уламки яшмоїдів, слюдистих кварцитів, тоді як для північно-східних районів типовими є ефузиви і діабази.

Центральні райони Донбасу, із найбільш тектонічно деформованими породами, характеризуються значним розвитком пластичних мікродеформацій, як у породоутворюючих мінералах, (кварц, плагіоклази, польові шпати) так і в цементі (вторинний карбонат, слюди), що можна пояснити більшою швидкістю занурення порід у карбоні і більш значними тектонічними напругами.

Встановлена практично повна відсутність “бородатих” зерен кварцу, які є наслідком відомого ефекту Рікке, і дуже слабкий розвиток міжзернових мікростилолітів, описаних у породах інших осадочних басейнів. Для порід Донбасу характерним є досить значне (особливо в Центральних районах) поширення всерединізернових мікростилолітів, мікротектонітів і вторинних розкристалізова-них карбонатів. Зважаючи на вищевикладене можна зробити такий висновок: процес катагенетичних перетворень осадочних порід Донбасу проходив у особливому режимі, що відрізняє його від інших басейнів.

Основна причина цього розходження очевидна, це інверсія і тектонічна напруга в породах Донбасу, що ущільнили породи до такого ступеня, при якому фільтраційна спроможність їх стала мінімальною, а процеси розчинення і перевідкладення не змогли реалізуватися повною мірою у таких умовах. Саме з цієї причини для порід Донбасу характерний розвиток пластичних мікро-деформацій усіх раніше описаних видів, а значні об’єми газів у порах послужили причиною розвитку смужок Бема, як найбільш поширеного виду з усіх відомих мікродеформацій і причиною розвитку