Исследование Земли из Космоса, 2020, № 4, стр. 41-50

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время не вызывает сомнений, что применение космических технологий стимулировало инновационное развитие геологоразведочных работ (ГРР) в мире и существенно повысило их эффективность. Широко известны примеры успешного применения дистанционного зондирования Земли космической съемочной системой TERRA (платформа ASTER) для прогнозно-металлогенических построений, выбора перспективных площадей и поисков крупнотоннажных месторождений стратегических металлов в новых удаленных и пустынных районах Южной Америки, Восточной Африки, Канаде, Австралии, Средней Азии и др. (Волков, Сидоров, 2012).

В настоящей статье предпринята попытка показать место в металлогеническом анализе глобальных моделей глубинного строения земной коры и верхней мантии, созданных на основе гравитационных данных спутника GOCE (Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer). Космический аппарат GOCE (весом в 1.0 т) был выведен с российского космодрома Плесецк ракетой-носителем “Рокот” на низкую околоземную солнечно-синхронную орбиту 17 марта 2009 года. GOCE – спутник ESA (Европейское Космическое агентство), сочетающий гравиразведку и GPS-трекинг для определения среднего гравитационного поля Земли с беспрецедентной, глобальной точностью и пространственным разрешением (Клюйков, 2018). Для обеспечения максимально возможной точности измерений, была выбрана весьма низкая орбита в 260 км над поверхностью Земли (приблизительно на 500 км ниже, чем орбиты других научных спутников, в частности, ASTER). В результате миссии GOCE (2009–2013 гг.) составлена новая сверхточная гравитационная карта Земли, а также карта границы литосферы и мантии с более высоким разрешением (Reguzzoni, Sampietro, 2015). Кроме того, более точно определена форма Земли, измерена сила тяготения в различных регионах и плотность земной коры. Создаваемые модели земной коры на основе сейсмических данных и разрезов были согласованы с наблюдаемым GOCE гравитационным полем. Проект GEMMA, также финансируемые ESA, выполнил оценку границы между земной корой и мантией (Мохо) на основе полученных GOCE данных (Reguzzoni, Sampietro, 2015).

Для объяснения закономерностей размещения месторождений в настоящей статье впервые проанализированы, современные глобальные модели: строения земной коры, поверхности Мохо, плотности и термального режима верхней мантии. Новая модель CRUST1.0 определена сетью 1 × 1' и основана на базе данных о толщине земной коры по результатам сейсмических исследований. Модель земной коры унаследована из модели CRUST2.0 (Bassin et al., 2000). Типы коры, определялись в зависимости от возраста фундамента или тектонических условий (Bouman et al., 2015) и для каждой ячейки сети даны глубина границы Мохо, скорость сжатия и скорость сдвига, а также плотность дана для 8 слоев: воды, льда, трехслойного осадочного чехла и верхней, средней и нижней кристаллической коры. Данные осадочных слоев, в основном, соответствует модели (Laske, Masters, 2000; Pasyanos et al., 2014).

Современные прогнозно-металлогенические построения невозможны без составления ГИС-проекта, включающего картографический материал и глобальную базу данных месторождений стратегических металлов. При проведении пространственно-статистического ГИС-анализа применялись известные методические приемы, заложенные в аналитический аппарат ARCMAP, MAPINFO и других картографических математико-аналитических систем, а также разработанные авторами новые методические подходы. Наиболее эффективными оказались устоявшиеся методы выявления и оценки пространственных связей (растровой алгебры, нечеткой логики, вероятностного анализа и др.). Ниже рассмотрены примеры использования глобальных моделей глубинного строения земной коры и верхней мании в металлогеническом анализе.

ТИХООКЕАНСКИЙ РУДНЫЙ ПОЯС

Тихоокеанский рудный пояс (ТРП) огромным кольцом охватывает активные континентальные окраины вокруг одноименного океана (рис. 1). Протяженность внешней границы свыше 56 тыс. км, а ширина варьирует от нескольких сот до тысяч км. Недра ТРП богаты не только благородными, но и черными, цветными и редкими металлами, а также разнообразными драгоценными и поделочными цветными камнями, другими ценными полезными ископаемыми (Волков, Сидоров, 2019). Современные, мезозойские, палеозойские и еще более древние орогенные и вулканические пояса, широко развитые в пределах ТРП (Сидоров и др., 2019) – хранят, богатейшие клады различных металлов, созданные ими в периоды своей жизни. Практически вся территория Дальневосточного Федерального округа России и Забайкальского края находится в пределах Северо-Западной части Азиатского сегмента ТРП (рис. 2).

Рис. 1.

Позиция месторождений стратегических металлов в Тихоокеанском рудном поясе, по данным ГИС-анализа на картах: а – температуры верхней мантии на глубине 60 км; б – плотности верхней мантии на глубине 60 км; в – мощность осадочного чехла; г – глубина поверхности Мохо. 1 – границы Тихоокеанского рудного пояса; 2–6 – месторождения: 2 – золоторудные в терригенных толщах, 3 – золотосеребряные эпитермальные, 4 – медно-молибден-порфировые золотосодержащие, 5 – оловорудные, 6 – редкометалльные. Геофизические свойства верхней мантии, проект CRUST 2.0 (Laske et al., 2000; Pasyanos et al., 2014): 7 – плотность (г/см³), 8 – температура (°С), 9 – поверхность Мохо (Bouman et al., 2015), 10 – гравитационное поле (редукция Буге).

Рис. 2.

Позиция месторождений стратегических металлов в арктическом сегменте Тихоокеанского рудного пояса (ГИС проект на сводной дистанционной основе м-ба 1 : 2 500 000). Месторождения: 1 – благородных металлов, 2 – медные, 3 – свинцово-цинковые, 4 – цветных металлов (Sn, W, Mo и др.), 5 – редких, 6 – радиоактивныех и 7 – черных металлов, 8 – контуры Тихоокеанского пояса, 9 – контуры Арктической зоны.

Концепция глобальной металлогенической однородности и зональности ТРП (Смирнов, 1946), а также его границы хорошо подтверждаются современными картами (см. рис. 1), составленными на основе глобальных моделей. Последние наглядно показывают, что ТРП находится над областями верхней мантии с относительно низкой плотностью, которые характеризуются также повышенным термальным режимом (Tenzer et al., 2012; Cammarano et al., 2017). Дискутируемые границы ТРП получили дополнительное обоснование в термальной и плотностной модели окраиноморской литосферы (см. рис. 1 а, б). Анализ составленных карт (см. рис. 1) позволил существенно уточнить и скорректировать как внутреннюю, так и внешнюю границу ТРП. Главные особенности неоднородной плотности верхней мантии обусловлены взаимодействием плит на фоне глобальной мантийной тепловой и вещественной конвекции (Tenzer et al., 2012). Наиболее ярко связь гравитации и плотности присущи веществу океанической коры, где гравитационные аномалии пространственно прямо коррелируют с плотностью вмещающих пород; вместе с тем, по данным сейсмотомографии, их контрастность ослабевает с увеличением глубины поверхности Мохо (Tenzer et al., 2012).

Концепция глобальная металлогенической однородности ТРП предполагает широкое развитие аналогов американских месторождений в азиатском сегменте, в том числе и его северо-западном отрезке – Северо-Востоке России. Полоса золоторудных и медно-порфировых и олово-вольфрамовых месторождений широко развитых на Аляске и Британской Колумбии практически без изменений продолжается и на Северо-Востоке России (см. рис. 2). Рассматриваемая карта (рис. 2) визуализирует глобальные особенности распространения месторождений стратегических металлов в ТРП и наглядно подтверждает концепцию его металлогенической однородности.

Исходя из упомянутой выше концепции, во внутренней зоне его северо-западного отрезка (Северо-Восток России), кроме известных Au–Ag эпитермальных и Cu–Mo–Au-порфировых месторождений, весьма реальны перспективы выявления новых (еще не открытых) колчеданных месторождений (типа Куроко) и их сателлитов, а также месторождений Fe–Cu–Au оксидных (IOCG-типа), Cu–Ag типа Манто, скарновых и других, широко развитых в северо-американской половине ТРП. Внешняя зона российского сектора ТРП перспективна на открытие месторождений золота Карлинского типа (Невада, США), богатых комплексных скарновых месторождений, уникальных бертрандитовых месторождений Be типа Спурмаунтин (Юта, США), месторождений окисных марганцевых руд типа Кокимбо (Чили), а также богатых месторождений РЗМ и других редких металлов.

МЕТАЛЛОГЕНИЯ ЦЕНТРАЛЬНОГО И СЕВЕРНОГО ЧИЛИ

Магматическая дуга на Тихоокеанском побережье Чили – классический пример региона распространения медно-порфировых, Au–Ag эпитермальных, и железорудных месторождений IOCG-типа (рис. 3) (Митчелл, Гарсон, 1984, Волков и др., 2014). Хорошая доступность и обнаженность делают ее идеальным полигоном для исследования порфирово-эпитермальной и IOCG-типа минералообразующих систем. Кроме того, в центральной части Чили широко распространены прожилково-жильные золото-сульфидно-кварцевые месторождения, группирующиеся в меридиональную полосу (см. рис. 3). Эти месторождения практически не изучены, так как период их интенсивной эксплуатации пришелся на первую половину прошлого века, а в настоящее время оставшиеся запасы и небольшие месторождения – объекты кустарной старательской добычи (Савчук и др., 2016).

Рис. 3.

Мощность осадочного чехла (а), глубина поверхности Мохо (б), плотность (в) и температура (г) верхней мантии и глубина поверхности Мохо (в) в Центральном Чили на основе материалов и базы данных проекта CRUST 2.0 (Laske et al., 2000; Pasyanos et al., 2014). 1 – медно-порфировый пояс, 2–3 – золоторудные пояса: 2 – золото-сульфидно-кварцевые жильные руды, 3 – пояс Марикунга (эпитермальные руды), 4–5 – железо-оксидные зоны: 4 – раннемеловая, 5 – позднеюрская. 6 – мощность осадочного слоя коры (км), 7 – поверхность Мохо (км), 8 – плотность верхней мантии (г/см³), 9 – температура на глубине 60 км (Т‘С). 10–16 – месторождения: 10 – благородных металлов, 11 – медные, 12 – свинцово-цинковые, 13 – цветных (Sn, W, Mo и др.), 14 – редких, 15 – радиоактивных и 16 – черных металлов.

На основе глобальных моделей глубинного строения земной коры и верхней мании нами выполнен металлогенический анализ центрального и северного Чили. Рудные месторождения на этой территории явно тяготеют к области с более плотной и холодной мантией на глубинах 60 км (рис. 3а, б). Эта область соответствует пологому участку зоны субдукции на время рудообразования (миоцен), в пределах которого прошли процессы дегидратации погружающейся плиты, гидратация мантии и переход амфиболсодержащих минеральных комплексов к гранатсодержащим высокобарическим в нижней коре, где образовались очаги плавления (Kay, Mpodozis, 2001). Железорудные месторождения локализованы в поле глубины залегания Мохо от 10 до 25 км, а медно-порфировые – в поле глубин 25–50 км (рис. 3, в). Золото-сульфидно-кварцевые месторождения занимают позицию на границе этих поясов (рис. 3). Эпитермальные Au–Ag месторождения располагаются в поле глубин Мохо 60–75 км (рис. 3, в).

Таким образом, размещение золото-сульфидно-кварцевых и эпитермальных золотых объектов (пояс Марикунга), с двух сторон от пояса медно-порфирового оруденения, может быть объяснено разным уровнем эрозионного среза – в первом случае это уровень собственно порфировых объектов, а во втором случае – это уровень более удаленной зоны. Как видно из схем размещения месторождений разных типов (рис. 3), местами наблюдается перекрытие площадей развития медно-порфировой и IOCG минералообразующих систем. Это затрудняет выявление металлогенической зональности, поэтому особое значение приобретают наблюдения в таких областях, где отчетливо проявлены различные типы минерализации. Исходя из концепции глобальной металлогенической однородности и зональности ТРП (Смирнов, 1946; Волков, Сидоров, 2019) можно предполагать широкое развитие в его северо-западном сегменте (Северо-Восток России) рассмотренных выше типов месторождений. Во внутренней зоне северо-западного сегмента ТРП, весьма реально выявление золото-сульфидно-кварцевых месторождений, аналогичных центрально-чилийским объектам.

ПОЛИМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МЕСТОРОЖДЕНИЯ БАЛКАН

Металлогения Балкан определяется сложной геодинамической эволюцией Тэтис-Евразийского металлогенического пояса (ТЕМП), формировавшегося, начиная с мезозоя (Jankovich, 1977). Полиметаллические месторождения балканского сегмента ТЕМП сосредоточены в пределах Сербо-Македонской металлогенической провинции, включающей Сербо-Македонский срединный массив, рифтогенную зону Вардар и восточную часть Динарид. Эпи- и мезотермальные скарновые и жильные Pb–Zn (–Ag–Au) месторождения локализованы в карбонатных формациях позднего эоцена–олигоцена, простирающихся через Сербию и Северную Македонию до Греции (рис. 4). Осадочные и магматические формации и их метаморфические аналоги составляют фрагмент крупного осадочного слоя верхней коры Балкан, глобальная геофизическая модель (LITHO1.0) которой разрабатывалась в последние годы (Pasyanos et al., 2014). Структура осадочного чехла отражает региональную тектонику и отчетливо совпадает с расположением орогенных поясов и рифтовых систем в пределах континентальных окраин. Осадочный покров, в целом, имеет мощность от около нулевых значений до двух десятков км. Глобальная модель осадочных комплексов оцифрована в масштабе 1 × 1. Отложения имеют сравнительно низкие сейсмические скорости и плотность, поэтому их подошва отражается при резком изменении сейсмическая скорости. На рассматриваемой территории осадочный слой верхней коры включает альпийские и более древние осадочные и магматические комплексы. На рис. 4, a отчетливо видно, что его мощность здесь варьирует в пределах от 7.8 км в областях распространения комплексов Динарид и Сербо-Македонской зоны до 100 м в Зоне Вардар. При этом наименьшие мощности отмечаются в местах наиболее плотного размещения Cu–Ni, Pb–Zn, Co–Cr месторождений.

Рис. 4.

Мощность осадочного чехла (а) и глубина поверхности Мохо (б) в центральном регионе Балканского полуострова (Laske et al., 2000; Bouman et al., 2015). 1 – мощность осадочного слоя коры (км), 2–8 – месторождения: 2 – благородных металлов, 3 – медно-никелевые, 4 – медные, 5 – свинцово-цинковые, 6 – цветных (Sn, W, Mo и др.), 7 – черных и 8 – редких металлов. 9–11 – размер месторождений: 9 – крупные, 10 – средние-мелкие, 11 – рудопроявления. 12 – поверхность Мохо (км).

Субдукция и постколлизионные изменения привели в позднем олигоцене – раннем миоцене к образованию утолщенной коры (Burchfiel et al., 2008) в области распространения комплексов Динарид (см. рис. 4, б). При этом блоки образующегося тектонического меланжа в шовной Зоне Вардар выжимались вверх и подвергались эрозии, с чем, возможно, было связано уменьшение мощности как осадочного слоя верхней коры (см. рис. 4, a), так и литосферы в целом вследствие высокой вероятности эклогитизации нижних офиолитовых блоков. Можно также полагать, что в этот же период в условиях тектоно-магматической активизации и формирования магматических дуг вследствие эрозионных процессов эксгумировались связанные с офиолитами и рифтогенной обстановкой месторождения (Cu–Ni, SEDEX) и возникали новые Cu-порфировые, скарновые (Fe–Pb–Zn) и жильные (Pb–Zn–Ag) месторождения (Volkov et al., 2017).

Важные характеристики глобальной модели, определяющие геодинамические обстановки в верхней коре, – плотность и термальное состояние нижней коры и верхней мантии. По мнению некоторых авторов (Hacker et al., 2015), средний состав нижней коры не обязательно должен быть мафическим. Это основывается на анализе среднего состава пород, предполагаемого теплового потока (по состоянию U, Th и K в породах) и сейсмических свойств (Rudnick, Gao, 2014). При этом кислотность расплава (образование магмы андезитового и дацитового состава) могла увеличиваться за счет дифференциация базальтовой коры при смешении базальтовой магмы с кремниевыми дериватами частичного расплава мафической субдуцированной коры, расслоения или реламинация нижней коры (Hacker et al., 2015).

Выполненные исследования показали, что мощность осадочного слоя верхней коры варьирует в пределах от 7–8 км в областях распространения комплексов Динарид и Сербо-Македонского массива до 100 м в Зоне Вардар (рис. 5). При этом наименьшие мощности отмечаются в местах наиболее плотного размещения полиметаллических месторождений.

Рис. 5.

Плотность (а) и термальный режим (б) верхней мантии в центральном регионе Балканского полуострова (Cammarano et al., 2017). 1 – плотность верхней мантии (кг/м³), 2 – температура на глубине 60 км (Т°С).

Температурная неоднородность состояния верхней мантии, обусловленная субдукцией и конвекцией, охватывает перепады температур, которые можно объяснить плюмами. Астеносферная конвекция в рифтах и зонах разломов определяет плюмоподобные структуры. Геофизические оценки средней потенциальной температуры верхней мантии составляют около 1400°С. Области высокой плотности и низких температур обычно предполагаются у основания сверхплюмовых структур (Simmons et al., 2010). Наряду с этим, особенности строения литосферы, стресс и формирующиеся разрывы в верхней коре не менее эффективно определяют объемы и место проявления вулканизма.

На рис. 5 показаны распределение плотности и температуры в верхней мантии, соответствующих термально-плотностной модели (Cammarano, Guerri, 2017). Совершенно отчетливо видно, что основные направления термально-плотносных аномалий в верхней мантии дискордантно направлению основных геотектонических структур в верхней коре. Причина этого – неоднородное и неупорядоченное во времени и пространстве альпийских движение различных блоков коры в процессе субдукции (Botev et al., 1988). При этом тренд распространения месторождений Северной Македонии и Сербии в северо-западном направлении вполне корреспондирует с простиранием средних значений плотности и температуры верхней мантии (рис. 5a, б). Сходное направление отмечается в структуре поверхности Мохо (подошвы коры), и оно также соответствует направлению распространения месторождений (рис. 5, б). Эта зона, проходящая между блоками увеличенной мощности литосферы, может трассировать региональную глубоко залегающую проницаемую зону, определившую в свое время развитие океанической рифтогенной структуры зоны Вардар, ставшей впоследствии зоной субдукции океанической коры под кратонные блоки Сербо-Македонского массива.

Таким образом, отрезок металлогенической зоны Бесна Кобила–Осогово (см. рис. 4, 5), вмещающий крупнейшие Pb–Zn месторождения Балкан: Саса, Тораницу (Северная Македония) и Благодат, Караманицу (Сербия) – наиболее эродирован. Исходя из этого вывода, южное и северное направление этой зоны в пределах Сербо-Македонского массива (см. рис. 4) представляется перспективным для поиска новых полиметаллических месторождений, не выходящих на поверхность.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Полученные космическим аппаратом GOCE данные стимулировали развитие моделей глубинного строения земной коры и верхней мании, способствовавших пониманию металлогенической специализации рудных районов. В статье рассмотрены несколько примеров применения этих моделей в металлогеническом анализе.

Показано, что концепция глобальной металлогенической однородности и зональности Тихоокеанского рудного пояса, а также его границы хорошо подтверждаются современными картами, составленными на основе глобальных моделей глубинного строения земной коры и верхней мании. Дискутируемые границы ТРП и его металлогеническая однородность получили дополнительное обоснование в термальной и плотностной модели окраиноморской литосферы (Cammarano, Guerri, 2017; Tenzer et al., 2012).

На основе анализа глобальных моделей отмечено, что рудные месторождения центрального и северного Чили отчетливо тяготеют к области с более плотной и холодной мантией на глубинах 60 км, которая соответствует пологому участку зоны субдукции на время рудообразования (миоцен), где прошли процессы дегидратации погружающейся океанической плиты, и гидратация верхней мантии (Kay, Mpodozis, 2001). Исходя из концепции глобальной металлогенической однородности ТРП (Смирнов, 1946; Волков, Сидоров, 2019) во внутренней зоне северо-западного сегмента ТРП, весьма реальны перспективы открытия золото-сульфидно-кварцевых месторождений, аналогичных центрально-чилийским объектам.

Распространение полиметаллических месторождений Северной Македонии, Сербии и Греции в северо-западном направлении корреспондирует с простиранием средних значений плотности и температуры верхней мантии. Сходное направление отмечается также в структуре поверхности Мохо. Блоки образующегося тектонического меланжа в шовной Зоне Вардар выжимались вверх и подвергались эрозии, с чем, возможно, было связано уменьшение мощности как осадочного слоя верхней коры, так и литосферы в целом в связи с высокой эклогитизацией нижних офиолитовых блоков. В этот же период в условиях тектоно-магматической активизации при формировании магматических дуг вследствие эрозионных процессов эксгумировались связанные с офиолитами и рифтогенной обстановкой месторождения (Cu–Ni, SEDEX) возникали новые Cu-порфировые, скарновые и/или жильные Pb–Zn месторождения. Полученные результаты имеют большое значение для прогнозирования новых месторождений.