Машиностроение ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ

КАРСТ МРАМОРОВ МЕСТОРОЖДЕНИЯ ТЫРНЫАУЗ

Рассматривается карст мраморов как наименее изученный тип карста. Выделен карстовый район рудного поля месторождения Тырныауз. Приведена литолого-петрографическая характеристика скарни - рованных мраморов Тырныауза, определена их химическая активность. Анализируется тектоногенная трещинно-карстовая система дренирования месторождения. Установлены главные факторы карстооб - разования и прогнозируется развитие карста мраморов рудного поля Тырныауза на различных глубинах.

Ключевые слова: карст, мраморы, карстообразование, подземные воды, тектоника, трещиноватость, моделирование.

Карст мраморов менее изучен, чем другие типы карста. Основоположник научного карстоведения Г. А. Максимо­вич [1] рассматривал карст мраморов как своеобразную разность карбонатного карста [2]. Он указывал, что кальциевые доломитовые и переходные разности мраморов встречаются на Кавказе, Ура­ле, Балтийском щите, Сибири, на Даль­нем Востоке, Средней Азии и во многих странах мира. Стратегический возрас­тной интервал их очень широк - от архея до мезозоя включительно. Разнообразны карстовые формы голого, покрытого и закрытого карста мраморов [3]. Мрамо­ры отличаются от известняков более низкой растворимостью, поэтому в них реже встречаются пещеры больших раз­меров по сравнению с пещерами извест­няков и гипсов.

Максимович Г. А. произвел райони­рование карста территории бывшего СССР на тектонической основе, выделяя карстовую страну Большого Кавказа, ко­торая делится на карстовые области и районы [4].

Карстовые явления в тектонических зонах Главного и Передового хребтов Большого Кавказа ограничены узкими полосами выходов мраморов и мрамори - зированных известняков карбона и мезо­зоя и связаны с трещинами и разломами на контактах с другими породами.

Примером является выделенный ав­торами карстовый район Тырныаузского контактово-метасоматического вольф­рам-молибденового месторождения, ко­торое расположено на пересечении Тыр - ныауз-Пшекишской шовной зоны и Транскавказского поперечного поднятия в 42 км западнее от вулкана Эльбрус на высоте 2-4 тыс. м над уровнем моря. Карстовый район находится в зоне раз­ломов северо-западного простирания в образованиях палеозоя (глинистые слан­цы, песчаники, мрамора, туффиты ) про­рванных молодыми альпийскими лейко - кратовыми и порфировидными гранита­ми. В структурном отношении месторо­ждение представляет подковообразную антиклинальную складку, которая в ядре и на крыльях сложена мраморами, пере­крытыми роговиками песчано-сланцевой (пастуховской) свиты, последняя обна­жается в ядре синклинали и на крыльях антиклинали (рис. 1) [5].

Рис. 1. Схема геологического строения рудного поля месторождения Тырныауз [5] Схема геологического строения рудного поля месторождения Тырныауз: 1 - четвертичные отложения; 2 - черные сланцы мукуланской свиты; 3 - песчаники мукуланской свиты; 4 - конгломераты мукуланской свиты; 5 - красноцветные песчаники; 6 - темно-серые алевролиты и сланцы; 7 - конгломераты и песчаники; 8 - филлиты; 9 - вулканогенная свита; 10 - темно-серые аркозовые

Песчаники зеленокаменной свиты; 11 - диабазы, порфириты; 12 - кварцевые плагиопорфиры; 13 - биотитовые роговики; 14 - слоистые мраморы; 15 - массивные мраморы; 16 - эльджуртинская свита; 17 - мигматиты; 18 - слюдистые сланцы; 19 - гранитогнейсы; 20 - кристаллические сланцы и гнейсы; 21 - липариты; 22 - авгитовые порфириты; 23 - кварцевые кератофиры; 24 - эльджуртинский гранит; 25 - брекчии биотитовых роговиков; 26 - лейкократовые гранитоиды; 27 - ультрабазиты; 28 - кварц-карбонатные породы; 29 - скарны; 30 - тектонические контакты; 31 - рудопроявления: I - сурьмяное месторождение Гитче-Тырныауз, участок №3; II - то же, участок №2; III - то же, участок №1; IV-VI - геофизические аномалии №1-3; VII - сульфидное месторождение Тырныауз-Су; VIII - золото-арсенопиритовые жилы балки №3; IX - месторождение Тырныауз; Х - Мукуланское месторождение андалузитовых сланцев; XI - полиметаллическое месторождение Малый Мукулан;

XII - месторождение Тю-тю

Однородные и слоистые мраморы верхнедевонского возраста залегают в виде многочисленных крупных просло­ев среди пород пастуховской свиты. Од­нородные мраморы крупно - и среднезер - нистые представляют собой темно-серые породы полосчатой текстуры. Они со­держат в своем составе кроме карбонат­ных минералов (кальцит, доломит) при­меси пироксенов и бесцветной слюды. В темных полосах содержание примесей (скарновых минералов, углистого веще­ства) может достичь 10 %. На отдельных участках мраморы пересекаются густой сетью кальцитовых и скарновых жил и прожилков, придающих им брекчиевид - ный облик [6].

В гидрогеологическом отношении мраморы отличаются от других коренных пород рудного поля сравнительно повы­шенными коллекторскими свойствами, химической активностью (способностью к взаимодействию с природными раствора­ми), которая накладывает существенный отпечаток на процессы их взаимодействия с подземными водами.

Химическая активность мраморов и других горных пород месторождения Тырныауз по отношению к ионам водоро­да определена по методу Н. А. Удодова и И. В. Кристалева [7], основанному на спо­собности пород и минералов изменять pH растворов (табл.). Выяснилось, что мра­моры, согласно классификации А. И. Пе - рельмана [8], являются сильноактивными породами - осадителями тяжёлых метал­лов из природных вод (реакция в кислом растворе АК(3,0) = 8,75; в дистиллиро­ванной воде АВ(6,2) = 9,30).

В пределах месторождения Тыр - ныауз в мраморах развиты разнообраз­ные карстовые формы: каверны, пусто­ты, пещеры, достигающие в поперечни­ке 2-3 м. Толщи мраморов, как правило, закарстованы равномерно по их распро­странению, но более крупные полости приурочены к локальным зонам разло­мов.

Тектоногенную трещинно-карстовую систему дренирования месторождения представляет сеть крупных трещин раз­личного раскрытия, обладающих относи­тельно высокой водопроводимостью. Эти трещины наложены на густую сеть мик­ротрещин, реже пор, и играют роль свое­образных подземных галерей, дрени­рующих воду, содержащуюся в обвод­ненных блоках месторождения. Выделя­ется три самостоятельных бассейна тре - щинно-карстовых вод: Центрального рудного поля, мраморов пика «Вера» и источника Тырныауз-Су (рис. 2, 3). Они разделены между собой скальными тре­щиноватыми водоупорами, вследствие чего фактически гидравлически связаны и представляют собою единую систему трещинно-карстовых вод с общим пъезо - метрическим уровнем и весьма неодно­родным фильтрационным полем, контро­лируемым источником Тырныауз-Су. Во­дообмен между бассейнами происходит путем инфильтрации воды из леднико­вых морен в полости локального карста в мраморах района источника Тырныауз - Су, затем по системе оперяющих цен­тральный разлом трещин, проникающих в карстовые пустоты мраморов «пика Ве­ры», и далее по трещинам роговикового блока вода поступает в локальный ступен­чатый карст, развитый в массивных и слоистых мраморах бассейна Центрально­го рудного поля. Поток трещинно - карстовых вод имеет основное направле­ние на юго-восток и северо-восток в сторо­ну местных базисов эрозии. Разделяет по­токи гребень Эльджуртинского гранита.

Областью питания трещинно-карсто - вых вод является верховье р. Тырныауз - Су. Естественная разгрузка их происхо­дит на склонах хребта Уллу-Тырныауз, но большая часть вод дренируется гор­ными выработками рудника, где наблю­даются значительные водопритоки, не­редко с напором до 50 атмосфер. Также происходит перетекание трещинно - карстовых вод в другие литологические комплексы пород, расположенные гипсо­метрически ниже карбонатных пород. Дебиты источников колеблются в зави­симости от количества выпадающих осадков и сезонного снеготаяния.

Карстовые полости почти всегда об­воднены: при первом вскрытии горными выработками из них бьют фонтаны на­порных вод. Областью питания всех тре - щинно-карстовых вод является зона вер­ховьев р. Тырныауз-Су. Естественная разгрузка трещинно-карстовых вод про­исходит по склонам хребта Уллу - Тырныауз, но наибольшая их часть дре­нируется горными выработками рудника.

Здесь трещинно-карстовые воды образу­ют мощные водопритоки. Это и капежи из трещин и карстовых полостей в кровле и бортах выработок, и мощные струи с напором до 50 атмосфер. Помимо этого происходит перетекание трещинно - карстовых вод в другие литологические комплексы пород, расположенные гипсо­метрически ниже карбонатных.

Примером выхода на поверхность трещинно-карстовых вод является источ­ник Тырныауз-Су - типично карстовый, приуроченный к мраморам, которые при­легают к Центральному разлому и вы­клиниваются вблизи него. На пути кар­стовых вод долину ручья пересекает се­верный гребень эльджуртинских грани­тов, которые создают подпор подземным водам, и они обходят его, чтобы устре­миться к р. Баксан. Таким образом, часть вод разгружалась через источник Тыр­ныауз-Су, остальная часть по трещинам юго-восточного простирания к карстовым полостям мраморов района пика Веры движется на юг, обводняя рудник. Дебит
источника колебался в зависимости от выпадающих атмосферных осадков и от сезонного снеготаяния. В последние годы вследствие бурения скважин, подсекаю­щих трещины и карстовые полости, сооб­щающиеся с источником, дебит последне­го значительно снизился, и в 1986 г. ис­точник пересох (средний многолетний расход источника составлял 130 л/с).

Поступление трещинно-карстовых вод в горные выработки и выработанное пространство коренным образом изменя­ет условия формирования их ресурсов и режима, а также способно значительно осложнять ведение горных работ. На Тырныаузском месторождении уже име­ли место внезапные прорывы огромных объемов карстовых вод вместе с песчано- глинистым материалом, нередко запол­няющим карстовые пустоты. Так, при проходке квершлага №2 в штольне №16 была вскрыта зияющая полость, приуро­ченная к тектонической зоне, проходящей вдоль контакта мраморов со скарнами. После взрывных работ в забое из этой по­лости прорвалась вода с дебитом 400 л/с.

Химический состав трещинно - карстовых вод мраморов гидрокарбонат - но-кальциевый с минерализацией от 0,15 до 0,40 г/л и рН-6-7,4 , а температура из­меняется от 5 до 7 C° [9] .

В пределах месторождения выделя­ются две гидрогеохимические зоны: верхняя и нижняя, отличающиеся усло­виями питания, циркуляции и разгрузки, а также химическим составом вод [9]. Поэтому в карстообразовании принимают участие как метеорные воды верхней гидрогеохимической зоны гидрокарбо - натно-кальциевого (магниевого) состава, так и углекислые соляно-щелочные воды с повышенной минерализацией (до 8 г/л) нижней гидрогеохимической зоны. Со­став вод нижней зоны формируется с участием окисляющегося сульфидного оруденения, что существенно усиливает их агрессивность по отношению к мра­морам. Известно, что важным фактором, определяющим агрессивные свойства природных вод, является серная кислота, которая в естественных условиях форми­руется в основном за счет окисления сульфидов и серы. Здесь следует отме­тить также, что мраморы более интен­сивно растворяются в воде, содержащей свободную углекислоту или же другие минеральные или органические кислоты. Кроме этого растворимость мраморов (как и других карбонатных пород) может повышаться, если в воде содержатся не­которые соли, например NaCl [10].

Следовательно, приведенные виды подземных вод месторождения в различ­ной степени агрессивны по отношению к карбонатным породам. Их растворяющая способность определена с использовани­ем программного комплекса «WATER» (авт. В. Н. Озябкин). Программный ком­плекс «WATER» позволяет моделировать процесс установления физико-химиче­ского равновесия подземной воды с ше­стью минералами: кальцитом, магнези­том, стронцианитом, ангидритом, гипсом и целестином - в различных условиях обмена СО2 между жидкой и газообраз­ной фазами. Предусмотрено два варианта моделирования (по выбору пользовате­ля): 1) обмен СО2 между водой и газооб­разной фазой отсутствует, т. е. сумма концентраций СО2св + HCO3 + CO3 из­вестна и постоянна, возможно лишь пе­рераспределение этих форм; 2) парциаль­ное давление СО2 задаётся и меняется, её избыток выделяется из раствора, а недос­таток восполняется поглощением. Уста­новлено, что для достижения карбонатно­го равновесия в водах нижней и верхней гидрохимических зон, а также вод зоны смешения дефицит CaCO3 составляет со­ответственно 727, 80 и 164 мг/л [6]. Сле­довательно, максимальная растворяющая способность по отношению к мраморам характерна для глубинных содовых вод и обусловлена градиентами температуры и СО2. При этом отметим, что подземные воды данного типа вскрыты на месторо­ждении только в конце 1970-х годов, но их приток в горные выработки увеличи­вался в последние годы эксплуатации ме­сторождения в связи с постоянным рас­ширением фронта горных работ, вследст­вие чего гидрогеологической службой рудника отмечалась интенсификация кар- стообразования [11].

Общеизвестно, что на обводнение ме­сторождений твёрдых полезных ископае­мых существенное влияние оказывает тек­тоника, так как по тектоническим трещи­нам и разломам наиболее интенсивно раз­виваются карстовые процессы. В горно­складчатых областях, где карбонатные по­роды интенсивно и многократно подвер­гаются дислоцированию, локальный карст обычно поражает их по всей мощности. В связи с этим следует ожидать так называе­мую локальную (сосредоточенную) закар - стованность мраморов рудного поля Тыр - ныауза на различных глубинах, что и под­тверждается натурными исследованиями в глубоких горных выработках [6].

Таким образом, тектонические, гео­морфологические и гидрогеологические условия, а так же деятельность человека способствуют процессам карстообразо - вания в карстовом районе рудного поля Тырныаузского вольфрам-молибденового месторождения. Карст мраморов отно­сится к закрытому (покрытому) типу кар­ста и приурочен к высотной зоне актив­ного водообмена Передового хребта Большого Кавказа. При этом развитие карста в мраморах контролируется раз­рывной тектоникой и трещиноватостью. Карстовые формы развиваются на двух этажах: верхнем - под влиянием трещин­ных вод метеорного происхождения и нижнем - с участием углекислых соляно - щелочных вод содового типа. Процессы окисления сульфидного оруденения и горные работы усиливают их агрессив­ность. Однако мраморы месторождения содержат примеси некарбонатных мине­ралов, имеют полосчатую текстуру и полнокристаллическую структуру, обла­дают низкой растворимостью по сравне­нию с известняками. Поэтому в них на­блюдается меньшее разнообразие карсто­вых форм, преобладают глубинные фор­мы закрытого типа карста небольших размеров.