Рентген для недр
Ученые научились «видеть» руду под километрами пород
Поиск месторождений никеля и платиноидов традиционно ведется «от поверхности вглубь»: геологи ищут выходы рудных тел, окисленные «шляпы», геохимические ореолы и магнитные аномалии. Но этот подход бессилен перед так называемыми слепыми месторождениями, когда рудное тело скрыто под двумя-тремя километрами сплошных пород и не имеет никаких выходов на дневную поверхность.
Фото: iStock
Фото: iStock
Поверхностная геология, геохимия и мелкая геофизика просто не видят такие объекты, а бурение наугад обходится в миллионы.
Решить эту задачу взялась группа ученых Воронежского государственного университета и Геологического института Кольского научного центра РАН — Татьяна Воронова, Ольга Муравина, Ирина Антонова и Виктор Глазнев. Они разработали технологию трехмерного плотностного моделирования верхней части земной коры, позволяющую прослеживать магматические системы на километры вниз. Статья о методике опубликована в журнале «Известия Томского политехнического университета».
В основе метода — гравиметрия. Разные горные породы обладают разной плотностью и создают микроскопические отклонения гравитационного поля. Чтобы перевести эти аномалии в геологическую картину, алгоритм опирается на жесткие физические ограничения и масштабную цифровую базу данных, собранную по образцам пород из более чем 5000 скважин региона. Моделирование ведется поэтапно: сначала исключаются помехи от осадочного чехла, затем строится региональная модель литосферы до глубины 80 км и лишь на финальном этапе — детальная трехмерная модель верхней коры до 16 км.
Глубина в 16 км может показаться избыточной — современная добыча ведется максимум до двух-трех километров. Но смысл глубокого моделирования в самой природе образования медно-никелевых и платиноидных руд: они формируются из магмы, поднимающейся из мантии, и, чтобы понять, где именно на доступной глубине магма остановилась и образовала богатую ловушку, нужно отследить весь ее путь — от глубинных корней.
Апробация технологии на Воронежском кристаллическом массиве уже показала неожиданные результаты. Классические геологические карты могут не соответствовать тому, что происходит в недрах: например, Павловский батолит на поверхности очерчен одним образом, а на глубине до восьми километров представляет собой единое силлообразное тело с субвертикальными корневыми структурами, смещенными на восток. Выяснилось также, что Павловский и соседние Лискинские гранитоиды имеют единую корневую область магматизма.
Как отмечают авторы, созданные модели с высокой точностью отражают реальное геологическое положение объектов и дают недропользователям надежную основу для целенаправленного поиска скрытых запасов никеля и платиноидов. О том, как работает методика и какие новые черты глубинного строения Воронежского кристаллического массива удалось выявить,— в интервью «Ъ-Науки» с доктором физико-математических наук, профессором кафедры геофизики Воронежского государственного университета, главным научным сотрудником Геологического института КНЦ РАН Виктором Глазневым.
— В чем принципиальное отличие вашего трехмерного плотностного моделирования от традиционной гравиразведки при поиске «слепых» рудных тел?
— Трехмерное плотностное моделирование позволяет проследить поведение наиболее контрастных по плотности объектов до глубины 16 км, опираясь на данные съемок гравитационного поля, величины типичных плотностей геологических объектов в регионе и данные о рельефе изучаемой территории. Разработанный алгоритм инверсии гравитационного поля реализует преобразование измеренных значений поля в значения трехмерной плотности изучаемой среды.
— Как алгоритм переводит микроскопические отклонения гравитационного поля в реальную геологическую картину и какие физические ограничения лежат в основе расчетов?
— Суть предложенного алгоритма заключается в итерационном уточнении искомого решения для плотности до тех пор, пока не реализуется совпадение поля от создаваемой модели с наблюденным гравитационным полем. Последовательность приближений закономерно сводится к итоговому решению, которое отвечает принятым исходным данным и критерию оптимальности решения.
При решении обратной задачи гравиметрии используются ограничения на диапазоны значений плотности для типичных геологических комплексов земной коры изучаемого региона.
— Насколько универсальна нормальная плотностная модель литосферы и как она калибруется для конкретных регионов, таких как Воронежский кристаллический массив?
— Нормальная плотностная модель литосферы опирается на региональные данные сейсмологических и сейсмических исследований земной коры и верхней мантии. Такая плотностная модель литосферы была создана на начальном этапе исследования Воронежского кристаллического массива в результате инверсии глобальных гравиметрических данных с опорой на скоростное строение земной коры и верхней мантии.
— Как в единой трехмерной модели согласуются данные гравиметрии, сейсмики и теплового потока и как разрешаются противоречия между ними?
— Физические свойства реальной геологической среды зависят от температуры и давления. Учет влияния этих факторов выполнялся на начальном этапе построения региональной плотностной и скоростной модели, принимая во внимание данные о поверхностном тепловом потоке. В рамках учета влияния температуры на физические свойства выполняется уточнение плотностной и скоростной модели среды. Итоговые модели оптимально соответствуют друг другу и обеспечивают согласование с тепловым полем изучаемой территории.
— Почему для поиска медно-никелевых и платиноидных руд необходимо моделировать недра до 16 км, если добыча ведется на глубинах до 2–3 км?
— Источником таких рудоносных объектов является верхняя мантия, поэтому для изучения закономерностей их происхождения и пространственной локализации необходимо изучать геологическое строение среды на глубинах, значительно превышающих глубину последующей разработки этих месторождений.
— Какие новые черты глубинного строения Павловского батолита и Лискинских гранитоидов удалось выявить и что это меняет в понимании магматизма региона?
— Установлено пространственное положение гранитоидных интрузий и их корневых систем. Рассчитанный суммарный объем гранитоидного материала батолитов позволяет оценить масштабы магматизма и временную последовательность развития этих объектов.
— Как глубинные корневые структуры магматических систем соотносятся с известными рудными узлами Воронцовского террейна? Есть ли уже подтвержденные корреляции?
— По данным плотностного моделирования достоверно установлены корневые части крупных магматических систем Воронцовского террейна, с которыми могут быть связаны потенциально рудоносные объекты.
— Какие геохимические и петрологические критерии позволяют отличить «пустую» магматическую камеру от рудоносной на основе плотностной модели?
— Трехмерная плотностная модель позволяет получить представление о геометрии, объеме и глубинной структуре объектов исследования. Интерпретация полученной модели совместно с геохимическими и петрологическими данными дает возможность отождествить выделяемые плотностные аномалии с потенциально рудоносными магматическими образованиями.
— Какие новые данные о глубинном строении Воронежского кристаллического массива получены впервые и планируется ли масштабирование методики на другие регионы России?
— Все рассмотренные данные были впервые получены для территории Воронежского кристаллического массива. Трехмерная плотностная модель верхней коры в совокупности с региональной моделью литосферы дает принципиально новые представления о глубинном геологическом строении региона исследования.
Предложенная технология построения плотностных моделей верхней коры вполне может быть использована при изучении других геологических регионов.