Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2022, T. 507, № 1, стр. 67-74

Геодинамическая модель северной части Нижнеканского массива: разломная тектоника, деформации, изоляционные свойства пород

Академик РАН А. Д. Гвишиани 12, член-корреспондент В. Н. Татаринов 12*, В. И. Кафтан 1, А. И. Маневич 13, В. А. Минаев 4, С. А. Устинов 4, Р. В. Шевчук 1

1 Геофизический центр Российской академии наук
Москва, Россия

2 Институт физики Земли Российской академии наук
Москва, Россия

3 Горный институт НИТУ “МИСиС”
Москва, Россия

4 Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии Российской академии наук
Москва, Россия

* E-mail: v.tatarinov@gcras.ru

Поступила в редакцию 15.07.2022
После доработки 22.07.2022
Принята к публикации 24.07.2022

Полный текст (PDF)

Аннотация

Представлена геодинамическая модель северной части Нижнеканского массива, разработанная для оценки сохранности изоляционных свойств пород при захоронении высокоактивных радиоактивных отходов в геологических формациях. В ее основу положены данные наблюдений за современными движениями земной коры средствами ГНСС за период с 2012 по 2021 г., результаты математического моделирования и системного анализа взаимосвязи деформационных процессов с тектоническими блоковыми структурами. Для косвенной оценки изоляционных свойств породного массива по результатам ГНСС-наблюдений впервые предложено использовать параметр, характеризующий дефицит горизонтальных смещений пунктов наблюдательной сети.

Ключевые слова: геодинамика, модель, Нижнеканский массив, современные движения земной коры, ГНСС, деформации

ВВЕДЕНИЕ

В 2021 г. в северной части Нижнеканского массива (Красноярский край) началось строительство уникального объекта – подземной исследовательской лаборатории (ПИЛ) для обоснования геоэкологической безопасности окончательной изоляции высокоактивных долгоживущих радиоактивных отходов (РАО) в геологических формациях [13]. Изоляционные свойства гранитогнейсовых пород на весь период радиобиологической опасности РАО, превышающий 10 тыс. лет, определяются историей геодинамической эволюции среды, включая современные движения земной коры (СДЗК). Для данного района на начало строительства ПИЛ отсутствовали инструментальные данные о горизонтальных скоростях СДЗК. Наиболее эффективным средством их изучения сегодня являются глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС) [6]. В этой связи, настоящая работа посвящена системно-аналитическому обобщению и интерпретации результатов многолетних ГНСС-наблюдений за СДЗК в виде геодинамической модели северной части Нижнеканского массива.

РАЗЛОМНО-БЛОКОВАЯ СХЕМА

Нижнеканский массив находится в области контакта крупных региональных тектонических структур: складчатого сооружения Енисейского кряжа и эпигерцинской Западно-Сибирской плиты. В северо-восточном направлении Енисейский кряж сочленяется с древней Сибирской платформой. На юго-западе структуры кряжа и Западно-Сибирской плиты контактируют с Восточно-Саянской частью салаирско-каледонской сейсмоактивной Алтае-Саянской складчатой области [7]. Тектонические нарушения образуют иерархическую блоковую структуру, пространственно-временная эволюция напряженно-деформированного состояния которой определяет изоляционные свойства массива.

Наиболее значимым разрывным нарушением является Приенисейский глубинный разлом длиной около 700 км, известный на данном участке как Муратовский. Разрывы представлены субмеридиональными структурами северо-западного и запад-северо-западного и субширотного простирания. На рис. 1 приведена разломно-блоковая схема района, разработанная геологами ИГЕМ РАН, которая была положена в основу геодинамической модели. Разрывные нарушения северо-западного, запад-северо-западного направлений образуют тектонопару с субмеридиональными взбросами, являясь сбросо-сдвигами, а северо-восточного простирания – в основном левосторонними сдвигами [8, 9]. Средняя ширина зон динамического влияния разломов оценивается в 0.7–1.3 км за исключением Приенисейского, где она, согласно приведенным в [10] зависимостям, превышает 7 км, захватывая участок строительства ПИЛ.

Рис. 1.

Разломно-блоковая схема, векторы скоростей смещений и главные оси деформаций, установленные по результатам ГНСС-наблюдений за период с 2012 по 2021 г. Черные стрелки – векторы смещений ГНСС-пунктов. Синие линии стороны конечных элементов, для которых рассчитаны оси деформаций. Серые линии – тектонические разломы. Желтые треугольники – пункты наблюдений.

ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ НАБЛЮДЕНИЯ

В районе с 2012 г. функционирует геодинамическая сеть в составе 30 ГНСС-пунктов (рис. 1) [11], на которых ежегодно проводятся наблюдения за пространственным изменением их координат в режиме полевых кампаний. Повторные геодезические измерения позволили оценить скорости современных движений и параметры деформаций земной поверхности за период с 2012 по 2021 г. Основными исследуемыми характеристиками были инвариантные по отношению к системе координат горизонтальные растяжения-сжатия по главным осям деформации конечного элемента (треугольника) и деформации площадного растяжения/сжатия – горизонтальная дилатация. Они позволяют оценивать и прогнозировать степень подвижности верхней части земной коры и связанных с ней процессов деструкции и разуплотнения горных пород.

Горизонтальные смещения Un и Ue ГНСС-пунктов получают для каждого цикла наблюдений по отношению к начальной эпохе Т0, как разность плановых координат n и e в проекции UTM по следующим формулам.

(1)
${{U}_{{{{n}_{i}}}}} = {{n}_{i}}--{{n}_{0}},\quad {{U}_{{{{e}_{i}}}}} = {{e}_{i}}--{{e}_{0}},$
где индекс i обозначает текущую эпоху измерений.

Смещения, выраженные в глобальной системе отсчета, демонстрируют в первую очередь тенденции движения глобальной тектонической плиты, на которой находится пункт наблюдения. Этот эффект затрудняет отслеживание меньших по амплитуде движений, связанных с локальными геодинамическими источниками. В этом случае показательными являются смещения пунктов, представленные в локальной (внутренней) системе отсчета, хорошо отражающие взаимные разнонаправленные движения локальных структурных тектонических блоков. Теория и практика получения локальной внутренней координатной системы отсчета берут начало из середины прошедшего столетия [14, 15]. Методика определения внутренних смещений геодезических пунктов по данным ГНСС-измерений, без привязки к глобальной системе отсчета, представлена в работе [16] и применена на Нижнеканском геодинамическом полигоне [6]. В случае использования глобальной координатной системы отсчета применяется эквивалентный подход получения внутренних смещений вычитанием из каждого смещения Uj, определенного в глобальной системе отсчета, среднего значения $\bar {U}$, характеризующего общую для всех пунктов сети тенденцию глобальной тектоники, для каждой эпохи измерений. Таким образом, получают систему отсчета внутренних смещений (или скоростей смещений) по известному принципу no net rotation/translation

(2)
${{u}_{{{{n}_{j}}}}} = {{U}_{{{{n}_{j}}}}}--{{\bar {U}}_{n}},\quad {{u}_{{{{e}_{j}}}}} = {{U}_{{{{e}_{j}}}}}--{{\bar {U}}_{e}},$
где индекс j является порядковым номером пункта ГНСС наблюдений.

Деформации конечных элементов сети определялись из решения тензора горизонтальной деформации, оси n и e направлены на север и восток.

(3)
${{T}_{\varepsilon }} = \left( {\begin{array}{*{20}{c}} {{{\varepsilon }_{n}}}&{{{\varepsilon }_{{ne}}}} \\ {{{\varepsilon }_{{en}}}}&{{{\varepsilon }_{e}}} \end{array}} \right),$
где элементы тензора равны ${{\varepsilon }_{n}} = \frac{{\partial {{u}_{n}}}}{{\partial n}}$, ${{\varepsilon }_{e}} = \frac{{\partial {{u}_{e}}}}{{\partial e}}$ и ${{\varepsilon }_{{en}}}$ = = ${{\varepsilon }_{{ne}}}$ = $\frac{1}{2}\left( {\begin{array}{*{20}{c}} {\frac{{\partial {{u}_{n}}}}{{\partial e}} + }&{\frac{{\partial {{u}_{e}}}}{{\partial n}}} \end{array}} \right)$, соответственно, а $\frac{{\partial {{u}_{n}}}}{{\partial e}} + \frac{{\partial {{u}_{e}}}}{{\partial n}}$ = = ${{\gamma }_{{ne}}} = {{\gamma }_{{en}}}$ – относительный сдвиг.

Рассчитывались следующие инвариантные деформационные характеристики:

1) Главные деформации ε1 и ε2

(4)
${{\varepsilon }_{{1,2}}} = \frac{1}{2}\left[ {{{\varepsilon }_{n}} + {{\varepsilon }_{e}} \pm \sqrt {{{{\left( {{{\varepsilon }_{n}}--{{\varepsilon }_{e}}} \right)}}^{2}} + \gamma _{{ne}}^{2}} } \right],$

2) Дилатация

(5)
$\Delta = {{\varepsilon }_{1}} + {{\varepsilon }_{2}},$

3) Полный сдвиг

(6)
$\gamma = {{\left( {{{{\left( {{{\varepsilon }_{n}}--{{\varepsilon }_{y}}} \right)}}^{2}} + \gamma _{{ne}}^{2}} \right)}^{{1/2}}}.$

На рис. 1 показаны векторы смещений ГНСС-пунктов и оси главных деформаций. Видно, что детальность такого представления информации ограничена и не позволяет выделять зоны аномальных деформаций и разуплотнения массива. Поэтому были построены деформационные модели для различных эпох наблюдений, путем интерполяции исходных данных на всю территорию.

ДЕФОРМАЦИОННЫЙ АНАЛИЗ И ИНТЕРПРЕТАЦИЯ

Из всех деформационных характеристик наиболее показательной оказалась площадная деформация или дилатация, которая характеризует изменения площади земной поверхности: увеличение (растяжение) или уменьшение (сжатие). На рис. 2 приведены карты дилатации для различных эпох наблюдений.

Рис. 2.

Динамика изменения дилатации по эпохам наблюдений. Красный цвет – поверхностное растяжение, синий – поверхностное сжатие.

Главные особенности их пространственно-временного изменения следующие.

1. В целом за период наблюдений с 2012 по 2021 г. значения дилатации не превышали по модулю 1.6–8 × 10–5. Площадка строительства ПИЛ находится в зоне минимальных значений скоростей деформаций, на границе растягивающих и сжимающих деформаций.

2. При этом характер изменения положения зон максимального сжатия и растяжения, вероятно связанных с глубинной геодинамикой верхней части земной коры, носил циклический характер [6]. Так, например, в эпоху 2012–2014 гг. зона растягивающих деформаций, зарегистрированная в западной части в эпоху 2012–2013 гг. (рис. 2 а), исчезла, но появилась новая – на востоке (рис. 2 б). В 2015 г. общая картина распределения зон сжатия и растяжения фактически вернулась к эпохе 2012–2013 гг. (рис. 2 в).

3. Далее, в 2016 г. (рис. 2 г) характер распределения поля дилатации с незначительными отличиями повторяет эпоху 2012–2014 гг. (рис. 2 б), т.е. продолжительность цикла режима сжатие–растяжение составила приблизительно 2 года.

4. Через четыре года – в 2020 и 2021 г. вид распределения поля дилатации слегка изменился (рис. 2 д, е), но, в целом, остался близок к эпохе 2012–2013 гг. При этом зоны максимальных отрицательных дилатаций практически не изменяют положения, что говорит о их природном характере.

На рис. 3 показаны рассчитанные скорости деформации полного сдвига за период 2012–2021 гг. В отличие от дилатации этот параметр позволяет оценить тип кинематических смещений земной поверхности. Примечательно то, что мощные зоны дилатации сжатия со значениями Δ ≈ – 1.6 × × 10–6 в узле пересечения Правобережного и Канско-Атамановского разломов в северо-восточной части района, и зона растягивающих деформаций Δ ≈ 8 × 10–6 на западе, оказались связанными с зонами наибольших значений деформаций сдвига на рис. 3. Это говорит о сдвиговом характере движений по Правобережному разлому (левосторонний сдвиг). В то же время вся южная часть района имеет близкие к “нулевым” скорости горизонтальных деформаций сдвига, что связано преимущественно с вертикальной направленностью движений или движений типа надвигов. Примечательно, что зоны Муратовского и Атамановского разломов находятся в области минимальных скоростей деформации сдвига.

Рис. 3.

Поле скорости деформации сдвига за 2012–2021 гг.

Для пространственной оценки степени механического разуплотнения массива в пределах активных блочных структур воспользуемся стратегией анализа внутренних движений и деформаций земной коры, с позиций классической механики. Представим совокупность пунктов контрольной сети ГНСС локального района соответствующей механической системой. Теорема о движении центра масс (инерции) механической системы гласит о том, что ускорение центра инерции системы не зависит от внутренних сил взаимодействия между материальными точками системы. Ускорение a совокупности n материальных точек механической системы представляется выражением

(7)
$\mathop \sum \limits_i \,{{m}_{{i~}}}{{\vec {a}}_{i}} = \mathop \sum \limits_i \,{{\vec {F}}_{i}} + \mathop \sum \limits_i \,\mathop \sum \limits_k \,{{\vec {f}}_{{i,k}}},$
где mi – масса материальной точки, ${{\vec {F}}_{i}}$ – вектор внешней силы, ${{\vec {f}}_{{i,k}}}$ – вектор силы внутреннего взаимодействия пары точек, i, j, k – текущие индексы точек.

Согласно теореме, векторы внешних сил приложены к центру инерции механической системы, общее ее движение в заданной системе отсчета обусловлено суммой внешних сил и не зависит от внутренних сил взаимодействия элементов механической системы. Важным обстоятельством при этом является то, что, согласно третьему закону Ньютона, сумма всех внутренних сил взаимодействия материальных точек – второе слагаемое формулы (7) равна нулю. Таким образом, сумма взаимных скоростей движений всех пар материальных точек системы также равна нулю.

Такому условию отвечает среднее всех векторов полных скоростей движений материальных точек системы, представленных пунктами ГНСС в заданной системе координат, за вычитанием из них вектора общего движения механической системы (области определения движений и деформаций), обусловленного влиянием внешних сил. Данный параметр характера внутренних движений в пределах территории геодинамического полигона нами предложен впервые. В последние годы зарубежными исследователями оценивается дефицит сдвиговой деформации вдоль сейсмогенерирущеей разломной зоны [11, 12]. Предложенная характеристика оценивает полную длину (модуль) вектора смещения/скорости смещения независимо от наличия и характера разломной тектоники исследуемой территории. Она также применена в ряде наших недавних исследований в сейсмоопасных районах [16].

Данный подход предоставил возможность получения новой характеристики для косвенной оценки изоляционных свойств для миграции радионуклидов свойств горных пород по дефициту накопленных горизонтальных смещений пунктов ГНСС-сети из предположения, что чем больше величина накопленных смещений, тем больше степень структурной нарушенности или раскрытия пористости (разуплотнения) горных пород.

Эта характеристика определяется формулой

(8)
$\delta s = \sqrt[{}]{{u_{{{{n}_{j}}}}^{2} + u_{{{{e}_{j}}}}^{2}}}.$

Динамика ее изменения за 2012–2021 гг. показана на рис. 4. Здесь менее подвижные участки земной поверхности показаны темным цветом, а светлым – более подвижные. Последние, в своем большинстве, связаны с активными тектоническими разломами, на которых происходит разгрузка накопленных напряжений в виде тектонического крипа. Дефицит смещений показывает также проекции на поверхность сцеплений внутри тектонических блоков. В таких местах можно ожидать наименьшей степени раздробленности пород в результате развития современных геодинамических процессов. Однако одновременно и напряжения в них должны быть больше.

Рис. 4.

Изменение во времени распределения параметра “Дефицит смещений”

Так же, как и для дилатации, здесь отмечается пространственная миграция зон дефицита смещений. При этом в 2020–2021 гг. наибольшие величины зон дефицита смещений были зарегистрированы в непосредственной близости от площадки строительства ПИЛ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Полученные результаты позволяют утверждать о взаимосвязи современных движений с крупными тектоническими структурами района – Приенисейским (Муратовский), Атамановским, Большетельским и Правобережным разломами, образующими иерархическое блоковое строение. Это соответствует основным закономерностям СДЗК в северной части Нижнеканского массива, которые унаследуют характер движений, существовавших, по крайней мере, в плейстоцене и голоцене. Доказательством этого являются растягивающие напряжения в районе уступа Атамановского отрога Енисейского кряжа, испытывающего положительные вертикальные движения (земная поверхность расширяется).

В представленной модели современные движения носят циклический пространственно-временной характер, а их источниками являются глубинные геодинамические процессы кинематического взаимодействия блоков в зоне аккреции между Западно-Сибирской плитой и Сибирской платформой. Сопоставление динамики миграции зон “дефицита смещений” со схемой блокового строения позволяет выдвигать гипотезы о глубинных механизмах наблюдаемых геодинамических явлений в районе.

Список литературы

  1. Лаверов Н.П., Омельяненко Б.И., Величкин В.И. Геологические аспекты проблемы захоронения радиоактивных отходов // Геоэкология. 1994. № 6. С. 3–20.

  2. Абрамов А.А., Большов Л.А., Дорофеев А.Н., Игин И.М., Казаков К.С., Красильников В.Я., Линге И.И., Тро-хов Н.И., Уткин С.С. Подземная исследовательская лаборатория в Нижнеканском массиве: эволюционная проработка облика // Радиоактивные отходы. 2020. №1 (10). С. 9–21. https://doi.org/10.25283/2587-9707-2020-1-9-21

  3. Стратегия создания пункта глубинного захоронения радиоактивных отходов // Радиоактивные отходы. 2018. № 2 (3). С. 114–120.

  4. Труды Радиевого института им. В.Г. Хлопина. Т. XI. Санкт-Петербург. 2006. 135 с.

  5. Лукина Н.В. Нижнеканский гранитоидный массив: новейшие и современные тектонические движения, морфология и кинематика активных разломов и мегатрещин, современное поле напряжений. Возможности безопасного захоронения ВАО / Сб.: Исследования гранитоидов Нижнеканского массива для захоронения РАО. Материалы КНТС. СПб., 1999, С. 49–59.

  6. Кафтан В.И., Гвишиани А.Д., Морозов В.Н., Татаринов В.Н. Методика и результаты определения движений и деформаций земной коры по данным ГНСС на геодинамическом полигоне в районе захоронения радиоактивных отходов // Современные проблемы дистанционного зондирования из космоса. 2019. № 1. С. 83–94. https://doi.org/10.21046/2070-7401-2019-15-1-83-94

  7. Гвишиани А.Д., Агаян С.М., Лосев И.В., Татаринов В.Н. Методика оценки геодинамической опасности структурного блока, вмещающего объект подземной изоляции РАО // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2021. № 12. С. 5–18. https://doi.org/10.25018/0236_1493_2021_12_0_5

  8. Лобацкая Р.М. Неотектоническая разломно-блоковая структура зоны сочленения Сибирской платформы и Западно-Сибирской плиты // Геология и геофизика. 2005. Т. 46. № 2. С. 141–150.

  9. Верниковский В.А., Верниковская А.Е., Сальникова Е.Б. и др. Позднерифейский щелочной магматизм западного обрамления Сибирского кратона: результат континентального рифтогенеза или аккреционных событий? // ДАН. 2008. Т. 419. № 1. С. 90–94.

  10. Кочарян Г.Г. Геомеханика разломов. Российская академия наук; Институт динамики геосфер; Российский научный фонд. М.: ГЕОС, 2016. 424 с.

  11. Гвишиани А.Д., Татаринов В.Н., Кафтан В.И., Маневич А.И., Дзебоев Б.А., Лосев И.В. Скорости современных горизонтальных движений земной коры в южной части Енисейского кряжа по результатам ГНСС-измерений // Доклады Академии наук. Науки о Земле. 2020. Т. 493. № 1. С. 73–77. https://doi.org/10.31857/S2686739720070075

  12. Jiang G., Xu X., Chen G., Liu Y., Fukahata Y., Wang H., Yu G., Tan X., Xu C. Geodetic imaging of potential seismogenic asperities on the Xianshuihe-Anninghe- Zemuhe fault system, southwest China, with a new 3-D viscoelastic interseismic coupling model // J. Geophys. Res. Solid Earth. 2015. 120. https://doi.org/10.1002/2014JB011492

  13. Shebalin P.N., Vorobieva I.A., Baranov S.V., Mikhailov V.O. Deficit of Large Aftershocks as an Indicator of Afterslip at the Sources of Earthquakes in Subduction Zones // Doklady Earth Sciences. 2021. V. 498. Part 1. P. 423–426.

  14. Кафтан В.И. Анализ движений и деформаций земной поверхности по тринадцатилетним GPS-наблюдениям до и во время землетрясений Риджкрест (июль 2019, США, Калифорния) // Вулканология и сейсмология. 2021. № 2. С. 29–38. https://doi.org/10.31857/S0203030621010041

  15. Grafarend E., Schaffrin B. Unbiased free net adjustment // Survey Review. 1974. V. 22 (171). P. 200–218. https://doi.org/10.1179/sre.1974.22.171.200

  16. Welsch W. A review of the adjustment of free networks // Survey Review. 1979. V. 25 (194). P. 167–180. https://doi.org/10.1179/sre.1979.25.194.167

  17. Кафтан В.И., Татаринов В.Н., Шевчук Р.В. Долговременные изменения движений и деформаций земной коры до и во время серии землетрясений Кумамото. (2016 г., Япония) // Геодинамика и тектонофизика. 2022. 13 (1). https://doi.org/10.5800/GT-2022-13-1-0570

Дополнительные материалы отсутствуют.