Неотектонические структуры и современная геодинамика района среднего течения р. Дон (территория Нововоронежской АЭС)

Устойчивый интерес к району Среднего Дона связан с расположением его в широкой зоне сопряжения двух крупных новейших структур: Среднерусского (Воронежского) поднятия и Окско-Донского прогиба [8][10][15]. Здесь возведена одна из крупнейших в центральной части Восточно-Европейской платформы (ВЕП) экологически опасная Нововоронежская АЭС (НВ АЭС). К сопряжению этих структур приурочена р. Дон с отчетливо выраженным правобережным эрозионным уступом, сформированным вследствие постоянного смещения реки в сторону Средне-Русской возвышенности по правилу Бэра — Бабине. Новейшие структуры с разным направлением движений формируются в пределах древней структуры, относящейся к Воронежской девонской антеклизе ВЕП.

Среднерусское поднятие является устойчиво развивающимся на протяжении всего неотектонического этапа: с конца олигоцена — начала миоцена и поныне. По форме оно наследует положительную Воронежскую антеклизу. Окско-Донской прогиб, напротив, заложился дискордантно на древней антеклизе. По этой причине часть исследователей рассматривает прогиб в качестве внутрикорового активного центра (очага) повышенных напряжений и деформаций [8][9]. Другая часть исследователей связывает его заложение и развитие с латеральными напряжениями сжатия, наведенными с юга со стороны Аравийской литосферной плиты и поднятия Кавказа ([7] и др.). Таким образом, причины и механизмы формирования внутриплатформенных структур, удаленных от перикратонных опусканий фундамента ВЕП, до сих пор остаются актуальными.

НВ АЭС с семью энергоблоками, два из которых были запущены в 2017—2019 гг., расположена на левобережье р. Дон в 45 км южнее Воронежа (рис. 1). В зависимости от концепции происхождения новейших структур оценить безопасность станции можно по-разному: она может быть либо заниженной, либо переоцененной. В первом случае это небезопасно для густонаселенного равнинного региона, во втором — приведет к необоснованно большим затратам на изыскания при строительстве энергоблоков. Если источник напряжений находится в пределах прогиба, то следует предполагать повышенную активность неотектонических структур, включая разломы и сейсмичность, по сравнению с активностью, вызванную источником напряжений, находящимся за несколько тысяч километров. Неотектонические движения часто сопровождаются интенсивными экзогенными процессами [14][15][16], которые нарушают устойчивость территорий, в том числе расположения крупных инженерных объектов [13].

Целью данного исследования является выявление и оценка неотектонических структур, определение геодинамических условий их формирования и анализ интенсивных экзогенных геологических процессов в связи с необходимостью обеспечения безопасности расположенной в этом районе крупнейшей в центральной части Восточно-Европейской платформы Нововоронежской АЭС.

В задачи исследования входит определение суммарных и постадийных амплитуд и скоростей неотектонических движений, а также изучение и оценка влияния экзогенных процессов на устойчивость площадки НВ АЭС.

Методика исследований и фактический материал

В работе применялись структурно-геоморфологический, неотектонический и структурно-геодинамический методы. Фактическим материалом для исследований являлись полевые наблюдения и публикации с учетом данных геологических съемок [2][3]. Уточнение строения кристаллического фундамента и осадочного чехла производилось на основе фондовых отчетов по буровым, геофизическим, инженерно-геологическим и другим работам, выполненным в связи с проектированием и доизучением НВ АЭС. С учетом буровых скважин и описания обнажений производились построения структурно-геоморфологических профилей, выделение денудационных ступеней (поверхностей) и их корреляция с однородными отложениями. Ступенчатость геоморфологических поверхностей рассматривалась как проявление неотектонических поднятий, аккумуляция отложений — как проявление опусканий. Для выявления активности древних разломов, локализованных в кристаллическом фундаменте, было выполнено дешифрирование аэрофотоснимков на основе дистанционных методов. Кинематические признаки современных деформаций, выявленные на плоскостях трещин в виде борозд скольжения и заколов, анализировались тектонофизическим (структурно-геодинамическим) методом.

В основу исследований положена научная концепция глубинных геодинамических систем, практическим выходом которой является оценка безопасности территорий инженерных объектов относительно трех факторов: литологического, неотектонического и геодинамического [9].

В районе среднего течения р. Дон проведены исследования литологических и структурно-геоморфологических условий, новейших тектонических структур, их амплитуд и скоростей движений.

Литология и структурная геоморфология

Кристаллический фундамент сложен архейнижнепротерозойскими глубоко метаморфизованными породами, нарушенными интенсивной складчатостью и разломами. В фундаменте выделено девять раннепротерозойских разломов, из которых наиболее принципиальными в аспекте проявления в рельефе и неотектонике являются два: субмеридиональный Семилуки-Липецкий и широтный Судженско-Икорецкий. Первый разлом в целом наследуется долиной р. Дон, включая и плиоценовый палео-Дон. Второй в западной части согласуется с долиной р. Потудань, а в восточной части — с границей Тамбовской низменности и Калачской возвышенности. В этом случае несогласное сочетание этих форм рельефа может являться косвенным признаком концентрации в рассматриваемом разломе повышенных напряжений и деформаций. Согласно буровым и геофизическим данным проникновение разломов фундамента в осадочный чехол с существенным смещением реперных горизонтов (более 2,5 м) до сих пор нельзя считать доказанным.

Поверхность кристаллического фундамента ступенчато снижается с юго-запада на северо-восток. На юго-западе на правобережье Дона в районе рр. Девица и Потудань (Павловское поднятие) фундамент расположен наиболее близко к земной поверхности на абсолютных отметках +20 м. На северо-востоке на левобережье в районе рр. Хворостань и Тавровка его поверхность опущена до минус 30 м. В районе площадки НВ АЭС фундамент деформирован с образованием относительно небольшого овального выступа-поднятия с абсолютными отметками плюс 5—8 м [2].

Осадочный чехол перекрывает сильно выветрелую и тектонически нарушенную поверхность кристаллического фундамента со стратиграфическим перерывом и резким угловым несогласием. Отложения начинаются со среднего девона и заканчиваются меловыми [4]. В коренные породы чехла врезаны позднекайнозойские палеорусла, выполненные рыхлыми плиоценовыми и четвертичными отложениями.

Структурно-геоморфологические условия правобережья и левобережья Среднего Дона различны. Правобережье, представленное формами рельефа Среднерусской возвышенности с абсолютными отметками 100—250 м, имеет ярусное строение в виде серии эрозионно-денудационных ступеней и речных надпойменных террас. Ступени, выработанные главным образом на меловых породах, были выделены на основе многочисленных структурно-геоморфологических разрезов (рис. 2).

Ступени формировались начиная с позднего плиоцена в связи со спорадическим поднятием территории. Самой высокой ступенью является первая плиоценовая с абсолютными отметками 215—220 м. В нее врезана вторая эоплейстоценовая ступень с отм. 180—200 м. Третья ступень, датированная первой половиной раннего неоплейстоцена, имеет отм. 160—180 м, и четвертая ступень второй половиной раннего неоплейстоцена находится на отм. 120—140 м. Врезы (вложения) относительно низких ступеней в более высокие составляют 20—30 м. Их тыловые швы часто скрыты под перевиваемыми эолово-делювиальными песками (vd II—III). В поверхности (ступени) врезаны V-образные овраги и ложбины, днища и склоны которых выполнены пролювиально-делювиальными песчанистыми суглинками (pd III—IV).

Левобережье Дона является частью обширной Тамбовской низменности с абсолютными отметками рельефа 100—170 м (см. рис. 1). Равнина сложена плиоценовыми, эоплейстоценовыми и ранненеоплейстоценовыми преимущественно аллювиальными отложениями, выполняющими обширный Кривоборский плиоценовый прогиб. Отложения отвечают аккумулятивным циклам, соответствующим числу денудационных ступеней (педиментов) правобережья Дона. Сопряженность циклов осадконакопления левобережья с денудационными ступенями правобережья указывает на то, что их образование происходило одновременно в связи с неравномерными неотектоническими движениями и климатическими изменениями. При этом равнинная часть левобережья испытывала опускание, а возвышенная часть правобережья — поднятие. Долина Дона отвечала зоне сопряжения этих двух с разным знаком движения частей платформы.

В раннем неоплейстоцене произошло резкое похолодание климата и становление максимального донского оледенения (g Idns). Последствием этого оледенения являются накопления моренных и флювиогляциальных образований. Моренные суглинки наиболее широко распространены в районе г. Воронеж, а в долине Дона они размыты. На морене залегают флювиогляциальные отложения, которые по генезису отвечают времени отступания донского оледенения. Пески слагают живописный Воронежский оз (f, lg Ids), который возвышается над урезом Дона на 70—80 м. Пески оза по простиранию замещаются водораздельным зандром, который на левобережье залегает на кривоборских песках, а на правобережье — на морене.

В голоценовое время сформировалась пойма (а IV), относительная высота которой составляет 3 и 5—7 м (низкая и высокая). В створе с площадкой АЭС она имеет большую ширину до 2 км. В ней отмечается развитие изометричных очень пологих понижений диаметром 2—3 м, происхождение которых связано с суффозией и выщелачиванием карбонатных пород девона. Эти породы залегают близко к земной поверхности и являются сильно выветрелыми и трещиноватыми. У площадки АЭС поверхность коренных пород местами всего на 5 м ниже (абсолютной отметки +75 м) межени р. Дон, которая находится на абсолютной отметке +80 м.

На площадке НВ АЭС на основе буровых и геофизических данных был исследован погребенный рельеф коренных пород. В нем были выявлены палеорусла, врезанные в меловые глины и верхнедевонские известняки до глубины от 3—6 до 10 м. Палеорусла, как правило, выполнены пестрыми по гранулометрическому и фациальному составу песками. Эти врезы отчасти согласуются с зонами повышенной трещиноватости, выделенными на основе дешифрирования снимков. О наличии таких зон свидетельствуют субвертикальные границы фациальной изменчивости песков. В погребенных руслах в притальвеговых частях выявлены крупные останцы писчего мела, образовавшиеся при размыве коренных пород склона.

По палеоруслам (врезам), вскрывшим нижнемеловые и девонские глины, происходит взаимодействие и фильтрация грунтовых и межпластовых вод, на что указывают выходы родниковых вод в пойме Дона. Через эти врезы приповерхностный мелкозем проникает в трещиноватые и разрушенные карстом известняки, что вызывает образование большого числа просадок на земной поверхности. Таким образом, погребенный рельеф является существенным фактором для платформенных территорий, определяющим суффозионную и карстовую активность, часто отрицательно влияющую на устойчивость площадок АЭС.

Неотектоника и современная геодинамика

Новейшие тектонические структуры представлены изгибного типа поднятиями и прогибами (опусканиями) платформенного типа, геодинамически активными зонами (ГдАЗ) и зонами повышенной трещиноватости.

Среди изгибных структур особо выделяется протяженный Доно-Воронежский прогиб, состоящий из нескольких последовательно формирующихся впадин. С прогибом согласуется долина р. Дон, которая сегментирована на ряд аномальных расширений и сужений. В них отмечается увеличение до 20 м и уменьшение до 8—10 м мощности аллювия соответственно. Установлено, что расширения соответствуют Гремячинской (Гр), Пашенковской (Пш) и Троицкой (Тр) впадинам, которые кулисно сочленяются друг с другом. Их границами являются диагонально ориентированные зоны линеаментов С-З простирания, с которыми согласуются антецедентные участки р. Дон, выраженные сужением поймы, спрямлением и углублением русла. Антецедентные участки могут указывать на растущие локальные поднятия, сопряженные со впадинами, которые согласуются с протяженным Семилуки-Липецким (Ливенско-Богучарским) раннепротерозойским разломом (рис. 3).

Тектоно-физический анализ трещиноватости, полученный в полевых условиях, выполненный Н.А. Гордеевым (ИФЗ РАН), в основном в верхнемеловых отложениях писчего мела, показал, что локальные впадины (Гр, Пш, Тр) формируются в условиях сбросо-сдвиговых напряжений, или, точнее, по типу пулл-апарт. В зонах линеаментов по трещинам установлены кинематические индикаторы деформаций (зеркала скольжения), указывающие на правосдвиговые напряжения сжатия. Подобного типа структуры впервые были выделены М.Л. Коппом [7].

С нашей точки зрения эти впадины геодинамически активны, поскольку в них происходит интенсивное осадонакопление и опускание. Они играют роль своеобразных геодинамических центров, от которых исходят напряжения растяжения. Превышение этих напряжений над литостатическим давлением вызывает тектоно-гравитационное сползание, отчетливо выраженное на склонах высокого правобережья Дона. Смещение происходит с запада на восток по глинам барремского яруса нижнего мела и, возможно, по более глубокой погребенной поверхности кристаллического фундамента в основном в сторону изгибающегося русла Дона. Тыловые ограничения этих массивов выражены дуговыми руслами рек Девица и Еманча. В них установлены стенки отседания и трещины закола в виде смещений почв. Конфигурация тыловых ограничений позволяет объединить их в один крупный Белогорско-Сторожевой оползневой массив, который как бы разваливает со всех сторон Воронежское (Еманчинское) неотектоническое поднятие.

Район среднего течения Дона является хорошим объектом для изучения разнородных (разноглубинных) напряжений. Помимо приповерхностных напряжений растяжения выделяются и глубинные, связанные с внутрикоровой активностью Окско-Донского прогиба как геодинамически активного [8]. Согласно ГСЗ «Гранит» и механизмам очагов сейсмичностью прогиба источник напряжений (центр) локализован в нижнекоровом слое земной коры (см. рис. 3). По причине оттока подкорового глубинного вещества от активного центра под Воронежское поднятие левобережье Дона подвержено напряжениям растяжения, а правобережье — сжатию. В первом случае формируются четвертичные Еманчинское и Стародубское поднятия, Еманчинско-Донской и другие прогибы северо-восточного простирания (антиклинале- и синклиналеподобные формы соответственно). Во втором — Аношкинско-Колодезное и Пашинское поднятия и Боевско-Росошанский прогиб и другие молодые структуры субмеридионального простирания (горсто- и грабеноообразные формы). Границей глубинных напряжений растяжения и сжатия является протяженная Семилуки-Липецкая геодинамически активная зона сдвиговых напряжений, которая вызывает развитие структур по типу пулл-апарт.

Количественная оценка неотектонических движений

Согласно акад. В.Е. Хаину (1971), неотектонические движения обладают специфической особенностью, связанной с прерывисто-стадийным характером развития. Признак стадийности движений — отчетливо и закономерно выраженная в рельефе серия денудационных ступеней, включая речные цикловые террасы [6]. Особенностью их формирования является цикличность, обусловленная неотектонической прерывистостью и климатическими изменениями. Возраст ступеней определяется возрастом пород, на которых они выработаны, и возрастом перекрывающих или вложенных в них более молодых отложений. Важную роль в оценке возраста играет корреляция денудационных ступеней с новейшими отложениями, датировка которых основана на фауне.

Выявление деформаций, выраженных в рельефе, позволяет оценить амплитуды и скорости движений за новейшее (30—35 млн лет), т.е. суммарное время, и за отдельные его стадии, исчисляемые десятками и сотнями тысяч лет. По С.А. Несмеянову общая (суммарная) амплитуда неотектонического поднятия соответствует максимальной абсолютной отметке самой древней эрозионно-денудационной поверхности за вычетом мощности покровных отложений [13]. В нашем случае это ледниковые (морена) и эолово-делювиальные (лессовые суглинки) образования. В районе исследований самой древней поверхностью является позднеплиоценовая (200 м), перекрывающаяся покровными образованиями мощностью 18—20 м. На более низких поверхностях мощности покровов минимальны и составляют менее 18 м. Общая скорость поднятия за новейший этап рассчитывается делением относительной амплитуды на время, за которое эта амплитуда образовалась (абсолютный возраст поверхности). Согласно этим расчетам в районе среднего течения р. Дон общая амплитуда позднеплиоценовых поднятий составляет 180—200 м, а общая скорость — 0,05 мм/год (табл.).

Постадийные скорости поднятий — это отношение амплитуды поднятия за новейшее время к величине вреза за это время, равное отношению амплитуды за определяемый этап к величине вреза за этот этап. Имеется важное допущение, что амплитуды постадийных поднятий в общем случае пропорциональны глубинам цикловых врезов. Продолжительность стадий в абсолютных цифрах соответствует данным региональных и местных хроностратиграфических шкал [1][11]. Расчеты показали, что постадийные амплитуды имеют размах от 180 м в эоплейстоцене до 15 (20) м в голоцене. Скорости колеблются в интервале от 0,1 до 1,36—1,81 мм/год соответственно. Причем скорости движений в голоцене относительно самые высокие, а самые низкие — в позднем плиоцене.

Специальная высокоточная нивелирная сеть в районе размещения площадки НВ АЭС, созданная для наблюдений за современными вертикальными движениями земной коры, свидетельствует, что площадка АЭС находится в едином блоке земной коры, в области равномерного опускания земной поверхности со скоростью 0,5 мм/год. На карте современных вертикальных движений земной коры России [12] району АЭС соответствуют значения 0 (-2) мм/год (опускание).

Таким образом, территория Нововоронежской АЭС является геодинамически спокойной, скорости движений (как расчетные, так и по данным инструментальных измерений) относительно невысоки, однако они активизируют экзогенные процессы, которые негативно влияют на устойчивость площадки НВ АЭС.

Выводы

В районе среднего течения р. Дон неотектонические структуры и интенсивные экзогенные процессы формируются под влиянием окско-донских тектонических напряжений типа растяжения-сжатия, которые классифицированы по глубине. Глубинные напряжения ответственны за формирование крупных неотектонических структур, приповерхностные — обуславливают развитие экзогенных процессов. На правобережье Дона в условиях приповерхностных напряжений растяжения активно развивается карст (воронки и пещеры), тектоно-гравитационные массивы, мелкие склоновые оползни, V-образные овраги, ложбины, промоины и рытвины. На левобережье выявлено интенсивное развитие обширных суффозионных просадок в покровных лессовидных суглинках, перекрывающих зандровые пески. Малые просадочные формы тяготеют к балкам и ложбинам.

Границей разнотипных тектонических напряжений является Семилуки-Липецкая геодинамически активная зона сдвигового типа, где выявлены сбросового типа впадины по типу пулл-апарт с сопряженными диагональными линеаментами. На правобережье р. Дон под влиянием приповерхностных напряжений растяжения интенсивно развиваются экзогенные геологические процессы, в частности карстово-суффозионные. В окрестностях Нововоронежской АЭС эти процессы приурочены к погребенным плиоценовым, эоплейстоценовым и нижненеоплейстоценовым палеоруслам. Они вскрыли меловые водоупорные глины вплоть до девонских известняков и ныне вызывают в них процессы выщелачивания.

На основе анализа деформаций денудационных ступеней и надпойменных террас определены новейшие (суммарные за 30—35 млн лет) и постадийные амплитуды и скорости поднятий. Эти скорости относительно небольшие, однако они вызывают активизацию интенсивных экзогенных геологических процессов, негативно влияющих на устойчивость площадки Нововоронежской АЭС и требующих учета и контроля с помощью мониторинговых средств.