Формационный анализ гравимагнитных карт в целях прогноза рудных месторождений
Высокая геокартировочная эффективность изучения земной поверхности средне-масштабными гравимагнитными съемками позволяет отвести интерпретации карт гравитационного и магнитного полей важную роль в комплексе исследований при прогнозе месторождений полезных ископаемых. Значительные принципиальные возможности прогноза на их основе обусловлены тем, что формирование рудоносных структур происходит в связи с петроплотностной перестройкой локальных частей земной коры, а в рудообразующих геохимических процессах важную роль играют оксиды железа - главные носители ферромагнетизма.
При использовании геофизических карт для прогноза рудных месторождений различных типов традиционен модельный подход с выявлением в результате интерпретации различных геоструктурных элементов, представляющих модели оруденелых сред. Эффективность такого подхода невысока, так как в общем случае она определяется не только возможностями геофизических методов, но в большей степени полнотой и объективностью принятых на настоящий момент геологических моделей объектов прогноза.
Как частный случай модельного подхода к интерпретации геофизических данных при прогнозе оруденения можно рассматривать расшифровку отдельных аномалий, обусловленных, как правило, не конкретными рудными телами, но наблюдающихся в связи со статистически значимым количеством эталонных объектов прогноза. По некоторым регионам имеются примеры блестящей реализации такого подхода. Так, по замеченной пространственной ассоциируемости положительных магнитных аномалий и площадей медного оруденения Южной Австралии бурением в контурах подобной положительной магнитной аномалии обнаружено уникальное по запасам золото-медное месторождение Олимпик-Дам. Аналогичным образом при заверке бурением положительной магнитной аномалии выявлена основная часть уникального по содержанию золота Балейского месторождения в Забайкалье.
Для прогноза рудных месторождений нами предлагается принципиально новый способ анализа гравимагнитных карт, позволяющий миновать стадию уточнения геологического строения и сравнения отдельных частей прогнозируемой площади с эталонными. Этот анализ предусматривает выделение локальных рудоперспективных участков по аномальности статистических характеристик распределения напряженности поля в их пределах, а не тех или иных геоструктурных элементов. За характеристику аномальности распределения, отвечающего задаче прогноза оруденения, принимается мера отклонения распределения от нормального, выражающаяся через коэффициенты асимметрии и эксцесса. Выбор именно этих характеристик аномальности распределения определяется их соответствием понятийной сути месторождения как аномального, крайне эксцессивного проявления геологических (геохимических) процессов, нарушающего их нормальный ход. Предполагается, что обстановке оруденения соответствует эксцессивное проявление геологических, а следовательно, и петрофизических комплексов, формирующее участки эксцессивного распределения аномальных гравитационного и магнитного полей.
Таким образом, при предлагаемом подходе к интерпретации гравимагнитных полей выделяются локальные участки аномального (эксцессивного) распределения напряженности поля, которое рассматривается как необходимое, хотя и недостаточное, условие наличия рудоносности участка.
Выделить по гравимагнитным данным перспективные участки - значит, выделить места аномальных характеристик распределения значений напряженности поля, определяемых суперпозицией многих разнознаковых и с разным радиусом автокорреляции аномалий. Суть анализа гравимагнитных карт сводится не к выделению отдельных аномалий, а к учету взаимоотношения всех значений напряженности поля, формирующих эти, находящиеся в естественном соотношении друг с другом, аномалии (в пределах скользящего по площади исследований окна).
Очевидно, что моду распределения в пределах выбранного окна будут формировать значения напряженности, относящиеся к аномалиям с большим радиусом автокорреляции. Значения напряженности аномалий, отражающие локальную особенность ситуации, будут определять аномальность распределения и, в первую очередь, его асимметричность или эксцессивность.
Одновременный учет всего связываемого с локальной площадью комплекса аномалий имеет аналогию в рудно-формационном анализе, заключающемся в учете естественных комплексов парагенетически связанных во времени и пространстве горных пород и ассоциирующих с ними месторождений. Поэтому предлагаемый подход именуется нами формационной интерпретацией геофизических данных.
Из анализа распределения напряженности магнитного и гравитационного полей по скользящему окну в пределах многих рудных провинций следует, что коэффициенты асимметрии и эксцесса принимают положительные и отрицательные значения, образуя площадные аномалии. Положительные значения эксцесса представляют наибольший интерес, поскольку само определение эксцесса как меры избыточности наиболее близко понятию месторождения. Площади с положительными значениями эксцесса занимают обычно не более 20% исследованных нами площадей рудных провинций. Положительно эксцессивное распределение напряженности геофизического поля соответствует либо участкам площадей со значениями горизонтального градиента близкими к нулевым, либо фоновым значениям поля, возмущенного локальными аномалиями. В последнем случае распределение значений напряженности поля в пределах площади оруденения будет асимметричным и положительно эксцессивным.
Накопленный при изучении известных рудных районов опыт геофизических работ, сопоставление геофизических и геологических карт свидетельствуют о том, что рудным полям или узлам конкретных месторождений полезных ископаемых чаще всего сопутствует группа гравитационных или магнитных аномалий разного знака, что вызвано их парагенетическими связями. Благодаря этим парагенетическим связям наблюдается, как показано на примере Восточного Забайкалья и Южного Верхоянья, конгруэнтность морфологии геохимического, магнитного и гравитационного полей.
Классический пример ассоциируемости рудоносной обстановки и геофизических аномалий представляют стратиформные рудные месторождения. В пределах рудных полей этого типа сочетаются отрицательные гравитационные аномалии, связанные с впадинами аккумуляторами металлоносных осадков, и положительные, связанные с участками внутренних поднятий, к которым и приурочены месторождения.
Районы медно-никелевого оруденения характеризуются генетически благоприятным сочетанием повышенно-плотных базитовых интрузий и пониженно-плотных углеродистых осадочных образований (Печенгская серия Кольского полуострова, Тунгусская серия Норильского рудного района). Очевидно, что такой совокупности соответствует ассоциация положительных и отрицательных аномалий.
Ассоциируемость разнотипных аномалий гравитационного поля в связи с рудоносными площадями проиллюстрирована на примере Охотско-Чукотского вулканогенного пояса, в пределах которого известен ряд промышленных золото-серебряных месторождений. Районы золото-серебряного оруденения и месторождения в них контролируются группой аномалий гравитационного поля различных радиусов автокорреляции. Во-первых, это мощная зона повышенных горизонтальных градиентов силы тяжести, соответствующая зоне глубинного разлома, во-вторых, - положительная гравитационная аномалия, осложняющая зону повышенных горизонтальных градиентов. Непосредственно рудное поле месторождений контролируется локальной отрицательной аномалией, отвечающей небольшой интрузий кислого состава. Очевидно, что такого рода типичные аномальные ассоциации, в разной степени проявленные и изученные, должны существовать в связи с месторождениями и других минеральных типов.
Многим месторождениям также свойствен и комплекс магнитных аномалий. Так, железорудные месторождения, приуроченные к железистым кварцитам, характеризуются парой главных магнитных аномалий - положительной и отрицательной одновременно. Положительная аномалия связана с "первичными" железистыми кварцитами, отрицательная - с мартитизированными разностями, т.е. собственно с железной рудой.
Большинству скарновых месторождений соответствуют две аномалии магнитного поля одновременно - положительная, отвечающая магнетитам скарнов, и отрицательная - скоплениям сульфидной и иной немагнитной рудной минерализации, формирующимся в среде магнитных скарнов.
Практически все формационные типы месторождений золота, как показано нами ранее, отличаются повышенной намагниченностью геологических образований на нижнерудных срезах гидротермально измененных пород. Таким образом, в связи с любым месторождением золота можно ожидать закономерную ассоциацию как минимум двух магнитных аномалий. На золото-серебряных и касситерит-кварцевых месторождениях одновременно фиксируются отрицательные магнитные аномалии, связанные с гидротермально измененными породами, и положительные - с сопутствующими рудоносной структуре дайками базальтов.
Медно-никелевые, платиновые и хромитовые месторождения в ультраосновных породах характеризуются комплексом магнитных аномалий. Во-первых, это положительные аномалии, отвечающие магнитным базитам, во-вторых, - отрицательные, связанные непосредственно с оруденением. Рядом с горизонтом (пластом) хромитовой или платиновой руды в расслоенных интрузиях обычно располагается "магнетитовый" пласт (горизонт), формирующийся за счет магнетита, кристаллизующегося из магматического расплава раньше рудной минерализации (Бушвельдский массив в ЮАР, Панско-Федоровские массивы Кольского полуострова и т.п.).
Обстановка оруденения отчетливо проявляется не только геофизической аномальностью, но и особенностями распределения физических свойств гидротермально измененных пород, прежде всего, их плотности и магнитности. Так, в изученных гранодиоритовых массивах Центрального Казахстана над оруденелыми зонами картируются зоны эпидотизации, серицитизации, окварцевания, хлоритизации. В измененных разностях гранитоидов по сравнению с неизмененными возрастают коэффициенты асимметрии распределения остаточного намагничения и магнитной восприимчивости. Для метасоматитов золото-серебряных месторождений, вмещающих рудные тела, типичен максимальный коэффициент эксцесса выборок значений остаточного намагничения. В разрезах золото-кварцевых месторождений терригенных геосинклиналей отмечаются пирротинизированные пачки песчаников, находящиеся обычно вне контакта с кварцево-жильным оруденением, но вблизи последнего. Выборки значений магнитных свойств вблизи кварцево-рудных жил характеризуются высокими положительными значениями эксцесса, а вдали от них - близнулевыми. На золото-кварцевом месторождении Советское (Енисейский кряж) коэффициент эксцесса выборок значений магнитных свойств рудовмещающих сланцев прямо коррелирует с золотопродуктивностью соответствующих частей разреза.
В результате процесса метасоматоза физические свойства пород рудовмещающих структур выравниваются и породы становятся более однородными. Коэффициент эксцесса плотности метасоматитов возрастает с ростом их однородности. При анализе плотности кварца и кварцевых песков, образующихся за счет выветривания коренных кристаллических пород, максимальный коэффициент эксцесса устанавливается для наиболее чистых песков. Таким образом, показатели распределения выборок значений физических свойств не только являются индикатором метасоматических изменений пород, но могут количественно отражать степень рудоносности геологических разрезов. Одновременно они служат петрофизическим обоснованием предложенного подхода к интерпретации гравимагнитных данных в целях прогноза месторождений.
Предлагаемая методика формационной интерпретации опробована нами применительно к анализу магнитных карт м-ба 1:50 000 по эолоторудным районам Яно-Колымской складчатой области, Забайкалья, Енисейского кряжа, Западного Узбекистана, Западной Африки и гравиметрических карт м-бов 1:200 000 -1:5 000 000 по Забайкалью, Яно-Колымской складчатой области, Южной Африке, Австралии и другим регионам. Опытным путем были подобраны размеры скользящего окна и составлены программы счета характеристик распределения напряженности поля в скользящем окне.
Для исследуемой территории характерны группы линейно вытянутых положительных и отрицательных аномалий гравитационного поля с ориентировкой длинной оси преимущественно в субмеридиональном и северо-западном направлениях при амплитуде аномалий в десятки миллигал. В пределах этой части Австралийской платформы в протерозойских зелено-каменных поясах выявлены уникальные месторождения - золото-урановое Олимпик-Дэм, полиметаллическое Брокен-Хилл, а также несколько крупных медно-рудных и полиметаллических. Все главные месторождения вынесены на карту. Положительными аномалиями эксцесса с амплитудой до +5 мГл занято не более 20% всей площади. Все известные крупные и уникальные рудные месторождения располагаются в пределах или в краевых частях положительных аномалий эксцесса. Отрицательные значения эксцесса в основном соответствуют мощным зонам повышенных градиентов силы тяжести.
Поскольку все месторождения региона имеют отрицательный коэффициент асимметрии, можно говорить о развитии оруденения в зеленокаменных поясах, характеризующихся положительными гравитационными аномалиями. Следуют высокая степень локализации перспективных площадей и приуроченность месторождений только к положительным аномалиям эксцесса в выбранном скользящем окне.
Району свойственны интенсивные магнитные аномалии, обусловленные разнообразными гранитоидами. Рудные тела Балейско-Тасеевского рудного узла представлены немагнитными кварцевыми жилами, залегающими среди немагнитных. метасоматически измененных интрузивных и осадочных пород. Помимо Балейско-Тасеевского рудного узла, показано положение группы Голготайских золоторудных месторождений. Все они на площади исследований размещаются в краевых частях аномальных участков с положительными значениями коэффициента эксцесса (до +4 - Балейское месторождение, +11 - Голготайская группа). Положительным аномалиям эксцесса, занимающим не более 25% площади, соответствует положительный коэффициент асимметрии. Следовательно, на месторождениях этого типа рудный процесс сопровождается новообразованием ферромагнетиков. Поэтому еще раз напомним, что наиболее богатая часть оруденения Балейско-Тасеевского рудного узла была открыта по положительной магнитной аномалии при немагнитности собственно золото-кварцевых тел.
Как известно, в формировании золотого оруденения ведущая роль отводится базальтоидному магматизму, продукты которого в процессе оруденения подвержены интенсивным метасоматическим преобразованиям. Подобные преобразования широко развиты в породах на исследованной нами территории Юго-Западного Нигера в Западной Африке: архейских метаморфических образованиях Либерийского щита, а в его прогибах - протерозойских вулканогенно-осадочных. С вулканическими метаморфическими комплексами, отмечающимися положительными магнитными аномалиями, связывается здесь золотое оруденение.
Масштаб рассмотренной карты магнитного поля 1:50 000. Положительным коэффициентом эксцесса характеризуется примерно 20% площади. Во всех случаях ему соответствуют аномалии отрицательного коэффициента асимметрии. Аномалиям положительных значений коэффициента эксцесса отвечают геохимические и минералогические аномалии золота. Отрицательную асимметрию распределения напряженности магнитного поля, совпадающую с аномалиями положительного эксцесса, можно объяснить метасоматическими изменениями первично-магнитных вулканитов.
Приведенные примеры интерпретации магнитного поля иллюстрируют два известных типа проявления ферромагнетизма в ходе формирования оруденения. В одном случае (Балей) оруденению сопутствует новообразование ферромагнетиков, в другом (Западная Африка) - процесс уничтожения ферромагнетиков первично-магнитных пород. Первому случаю соответствует положительный коэффициент асимметрии распределения напряженности магнитного поля, второму - отрицательный. В обоих случаях индикатором рудоносной обстановки является положительный эксцесс, отражающий процесс выравнивания свойств горных пород в геохимических системах - увеличение малых значений и уменьшение больших.
С учетом изложенного отметим качественное сходство характеристики эксцесса распределения напряженности магнитного поля с характеристикой энтропии последнего. Для месторождений по отношению к окружающей среде характерно минимальное значение энтропии магнитного поля, т.е. максимальная однородность значений его напряженности при минимуме градиентов. Таким образом, положительные значения эксцесса в рудных полях отражают общую тенденцию в развитии геохимических систем, выражающуюся в стремлении к минимуму их энтропии.
Итак, предложенный подход к интерпретации в целях прогноза гравимагнитных карт обоснован не только геологическими особенностями рудоносных сред, но и общими законами физики. Накопленный опыт говорит о его практической ценности, заключающейся в значительной локализации рудоперспективных площадей. Реализация формационного подхода к анализу гравимагнитных материалов при современной оснащенности геологических организаций персональными компьютерами не требует больших затрат и может стать основой для экспрессной оценки рудоносности территорий разной степени освоенности.