Структурно-петрофизические условия локализации раннепротерозойских пегматитовых и магматических месторождений северо-восточной части Балтийского щита

Первое защищаемое положение.

Разработана методология структурно- петрофизического изучения метаморфических пород и руд с использованием плотности, характеризующей литологический состав пород, и коэффициента объемной анизотропии упругих волн, отражающего интенсивность тектонических деформаций синхронных с метаморфизмом. Метод апробирован при изучении Кольской сверхглубокой скважины и поверхностных структур Чупино-Лоухского и Печенгского рудных районов.

В 1972 году для изучения Кольской сверхглубокой скважины СГ-3 была создана тематическая группа ИГЕМ АН СССР, в которую вошли сотрудники отделов эндогенных рудных месторождений, петрографии, метасоматизма и метаморфизма, лабораторий рентгеноспектральной и изотопных исследований. Исследования этой группы были направлены на изучение эндогенных процессов в глубинных зонах земной коры, прежде всего, рудообразования, и включали специализированную документацию керна, изучение типоморфизма минералов, минеральных парагенезисов горных пород и руд, наблюдения за внутренним строением разрывных нарушений, соотношениями между деформациями горных пород, их метаморфизмом и петрофизическими свойствами [Глаголев и др., 1987; Кольская сверхглубокая , 1984 и др.].

Для характеристики тектонических деформаций в разрезе скважины СГ-3 сначала были использованы наблюдения за текстурами пород и микроструктурный метод, основанный на определении ориентировки зерен кварца, карбонатов, слюд, и т.д. Эти исследования позволили сделать выводы о тектонической природе анизотропии пород в зоне Лучломпольского разлома и о едином плане деформаций раннепротерозойской северопеченгской и архейской кольской серий в эпоху протерозойского метаморфизма [Казанский и др., 1985, 1997, 2004]. Вместе с тем выявились ограниченные возможности этого метода для изучения слабо деформированных пород, особенно основных вулканитов, которые слагают значительные интервалы разреза скважины. Это вызвало необходимость применения другого метода, отражающего внутреннее строение пород любого состава.

Решение этой задачи было осуществлено путем модернизации структурно- петрофизического метода, разработанного В.И.Старостиным [1979] и предназначенного для выявления палеотектонических полей напряжения на последовательных этапах развития рудоносных структур, определения роли физико-механических свойств пород в локализации руд и условий образования и преобразования месторождений полезных ископаемых. Он базируется на определении и сравнении абсолютных значений плотности, объемной анизотропии упругих свойств (скоростей ультразвуковых волн, модулей упругости и др.), пористости, параметров насыщения пород и руд и используется в комплексе с детальным геологическим картированием, тектонофизическими и микроструктурными исследованиями.

Структурно-петрофизическое изучение метаморфических пород из разреза Кольской сверхглубокой скважины было начато диссертантом в 1974 г. Согласно методике исследования проводились на плоскопараллельных взаимно перпендикулярных пластинах выпиленных из образцов керна и ориентированных образцов с поверхности, на которых указаны координаты их пространственной ориентировки (рис. 2.а). На этих пластинах пород проводилось определение плотности, параметров насыщения, эффективной пористости методом свободного насыщения водой [Лобанов, 1980; Казанский и др., 1985 и др.].

С применением ультразвуковых установок УЗИС-ЛЭТИ и Р5-5 со специальной теодолитной приставкой на этих пластинах определялись скорости Vp, Vs и строились диаграммы скоростей Vp (рис. 2.б). В отличие от первоначальной методики структурно- петрофизического анализа, которая предусматривала построение диаграмм Vp для образцов пород в сухом и максимально насыщенном водой состоянии, а также их разностной диаграммы, позволяющей получить ориентировку микротрещин и пор, для метаморфических пород исследования были проведены иначе. Для этих пород характерны низкие значения пористости 0.1-0.5 % и построение диаграмм Vp для пластин в сухом состоянии и, соответственно, разностных, теряет смысл [Дортман, 1976; Лобанов, 1980 и др.]. Поэтому все исследования проводились диссертантом только на образцах в максимально насыщенном водой состоянии с целью уменьшения влияния микротрещин и пор на результаты измерений. Объемная петрофизическая диаграмма строилась по 74 замерам скоростей Vp, которые отражают ориентировку всех породообразующих минералов метаморфических пород. С применением компьютерных программ производилось построение диаграмм Vp, расчет упругих параметров и коэффициента объемной анизотропии Vp (KAVp), величина которого определяется отношением областей максимальных скоростей Vp к минимальным на петрофизических диаграммах [Лобанов и др., 1982; Казанский и др., 1985 и др.]. Все лабораторные исследования образцов пород и руд были проведены в рудно-петрофизической лаборатории кафедры полезных ископаемых Геологического факультета МГУ.

Рис. 2. Схема ориентировки взаимно перпендикулярных плоскопараллельных пластин в образце керна и ориентированном образце с поверхности (а) и построения петрофизических диаграмм Vp на компьютере (б) [Лобанов и др., 1982; Старостин, 1984].

Петрофизические диаграммы Vp отражают ориентировку всех породообразующих минералов в образце, поэтому являются более информативными по сравнению с микроструктурными диаграммами, так как структурно-петрофизический метод использует взаимосвязь, существующую между упругими свойствами и структурой пород. Определяемая по данным дирекционных измерений скоростей Vp индикатриса позволяет оценить упругую анизотропию породы, а ее форма и абсолютные значения упругих параметров, коэффициента KAVp являются функцией минерального состава, условий образования, а также характера и интенсивности метаморфических преобразований. Физико- механические свойства пород и руд чутко реагируют на все приложенные к ним разноплановые деформации в ходе геологической истории. Эти свойства хранят информацию о структурно-генетических преобразованиях пород и руд [Старостин, 1984].

Значения КAVp отражают степень тектонической переработки пород, синхронной с метаморфизмом, независимо от их исходного состава. Они возрастают от массивных почти изотропных пород со значениями - 1.01 и достигают максимальных значений для бластомилонитов и интенсивно рассланцеванных пород - 1.50 [Казанский и др., 1985; Лобанов и др., 1982, 1987]. На форму индикатрис на диаграммах Vp и значения КAVp оказывают влияние наложенные процессы такие как, серицитизации, хлоритизации, альбитизации, эпидотизации, карбонатизации, при которых происходит замена первичных минералов вторичными и усложнение формы индикатрис и уменьшение КAVp.

Структурно-петрофизический анализ применим при изучении месторождений полезных ископаемых, залегающих в различных комплексах пород. К началу проведения диссертантом исследований на Балтийском щите, он применялся только для изучения рудных месторождений Урала и Рудного Алтая, поэтому потребовалась модернизация методики исследований для изучения метаморфических пород, слагающих докембрийские рудоносные структуры [Старостин, 1979; Старостин и др., 1995, 2002; Лобанов и др., 1982 и др.].

Изучение физико-механических свойств метаморфических пород и их роли в локализации месторождений полезных ископаемых в рудоносных докембрийских структурах северо- восточной части Балтийского щита осуществлялось различными методами многими исследователями [Роль физико-механических свойств , 1973; Петрофизическая характеристика советской части , 1976; Петрофизические исследования , 1979; Петрофизика древних образований, 1986; Кольская сверхглубокая , 1984, 1998 и др.].

На Балтийском щите рудоносные структуры формировались путем пластического течения, перекристаллизации и частичного плавления пород в обстановке, отвечающей нижнему уровню дислокационного метаморфизма [Казанский, 1973; Лобанов и др., 1982 и др.]. В этих условиях происходит совпадение петроструктурной и деформационной компонент упругой анизотропии пород, образуя особый метаморфогенный петроструктурно-деформационный тип анизотропии. Поэтому изменения в методике исследований для этих пород потребовали изучения в первую очередь взаимосвязи метаморфизма, тектонических деформаций и петрофизических свойств пород, а для интерпретации индикатрис на петрофизических диаграммах Vp главное значение имеют, не наблюдения за трещиноватостью, как это было ранее, а за сланцеватостью и мелкими структурными формами метаморфических пород. Соответственно, потребовалось изменить порядок проведения, как полевых наблюдений, так и лабораторных исследований [Лобанов, 1980, 2007 и др.].

Петроструктурно-деформационная анизотропия упругих свойств присуща породам и рудам, испытавшим пластические деформации и гидротермально-метасоматические преобразования в условиях зонального метаморфизма от эпидот-амфиболитовой до гранулитовой фации. Этот тип анизотропии связан с ориентировкой минералов, которая равновесна с локальным полем палеонапряжений. В метаморфических породах минеральные зерна располагаются таким образом, чтобы вектор, характеризующийся максимальным значением скоростей Vp, был ориентирован вдоль направления минимального сжатия, существовавшим в период пластической деформации породы, а с осью максимального сжатия будут совпадать те направления в зернах минералов, в которых величины скоростей будут минимальны (см. рис. 2.б). Эта закономерность справедлива для любых минеральных агрегатов и объясняет их поведение в поле напряжений. Возникшие при этом структуры обладают отчетливой связью между ориентировками зерен породы и ее физическими свойствами [Старостин, 1979, 1984].

Сопоставление диаграмм Vp с полосчатостью, сланцеватостью, микроскладчатостью, а также с минеральным составом и текстурно-структурными особенностями метаморфических пород, степенью их мигматизации и параметрами физико-механических свойств, позволило определить геологические факторы, обусловившие возникновение индикатрис той или иной формы [Звездов, Лобанов, 1976; Лобанов и др., 1982]. Форма индикатрис определяется ориентировкой плоскостных элементов (кристаллизационной сланцеватостью) и в ряде случаев на нее оказывает воздействие наложенная микроскладчатость [Сорский, 1952; Елисеев, 1967 и др.]. Наличие поясов повышенных скоростей Vp на диаграммах и, особенно, расположение в их краевых частях максимумов Vp (см. рис. 2.б), может быть объяснено поскольку именно с ней многие исследователи связывали явления сланцеватости и линейности в породах [Казаков, 1976 и др.]. Для интерпретации индикатрис на диаграммах Vp учитывалось влияние упругих свойств главных породообразующих минералов, слагающих гнейсы и амфиболиты - кварца, плагиоклаза, слюд, полевых шпатов и амфибола и их поведение при метаморфизме [Беликов и др., 1970; Старостин, 1984 и др.].

В связи с необходимостью изучения пород архейской части разреза СГ-3 и характерных для них тектонических структур на поверхности, диссертантом были проведены исследования глубоко метаморфизованных пород, слагающих складчатые структуры в Чупино-Лоухском слюдоносном районе [Лобанов, 1980; Лобанов и др., 1982 и др.]. Этот район является наиболее хорошо изученным на Балтийском щите, в котором пегматитоносные складчатые структуры сложенные архейскими породами беломорского комплекса, были сформированы в период карельской тектономагматической активизации, в условиях зонального метаморфизма, также как аналогичные тектонические структуры в Печенгском рудном районе [Казанский и др., 1985; Шуркин и др., 1988 и др.].

Изучение физико-механических свойств метаморфических пород беломорского комплекса проводилось на образцах из керна скважин и ориентированных образцах, отобранных по опорному профилю на поверхности длиной около 70 км от побережья Белого моря на востоке до зоны Беломорско-Карельского глубинного разлома на западе (см. рис. 1.б). Опорные разрезы и профили для изучения пегматитовых участков расположены поперек простирания беломорид и достаточно полно характеризуют разрезы свит всего комплекса и продуктивных горизонтов чупинской свиты, содержат горные выработки, скважины или естественные обнажения, позволяющие проводить структурные наблюдения и отбирать образцы.

Изучение пегматитоносных складчатых структур проводилось с помощью пунктов структурно-петрофизических наблюдений в масштабах от 1:50000 до 1:2000, которые включали в себя: 1) сведения о породах и их составе; 2) структурную информацию о слоистости, строении контактов пород, микросладчатости; сведения о жильных образованиях, их составе и последовательности формирования; 3) проведение статистических замеров мелких структурных элементов и трещиноватости [Лобанов, 1980; Лобанов и др., 1982, 2003]. Опорные разрезы и детальные участки складчатых структур явились основной частью структурно-петрофизических схем месторождений. Вторая часть исследований включала нанесение на карты и разрезы результатов лабораторных определений физико-механических свойств, анизотропии Vp, петрографического изучения пород и анализа всех этих данных.

Для петрофизической характеристики пегматитоносных складчатых структур, в пределах чупинской свиты, отбирались ориентированные образцы по простиранию продуктивных горизонтов. В этих складчатых структурах поперечно-перекрестного типа проводилось изучение более мелких наложенных складок, контролирующих размещение кустов жил пегматитов. Детальные исследования проведены на месторождении Тэдино, где изучались особенности локализации пегматитовых жил в зонах вторичного рассланцевания свекофеннского этапа тектономагматической активизации [Лобанов, 1980, 2007].

Наиболее важную информацию о локализации жил мусковитовых пегматитов в разрезе беломорского комплекса дают средние значения петрофизических параметров, а пегматитоносность тектонических структур закономерно связана с характером анизотропии упругих свойств пород. Всего были изучены разрезы 16 скважин общей длиной более 9000 м и горные выработки на месторождениях пегматитов - 4000 м. С 1974 по 1988 г. диссертантом было отобрано и изучено более 2000 образцов пород. Детальные исследования условий локализации жил пегматитов в складчатых структурах были проведены на 12 месторождениях Чупино- Лоухского района, в ходе которых построено около 600 диаграмм Vp, позволивших дать характеристику особенностей внутреннего строения этих структур. Все петрофизические параметры, полученные для отдельных образцов, были суммированы по типам пород и рассчитаны методом среднего взвешенного, что позволило определить их средние значения для формализованных тектонических элементов свит беломорского комплекса и продуктивных горизонтов чупинской свиты [Лобанов и др., 1982]. В результате этих исследований установлено, что наиболее информативными параметрами для характеристики закономерностей локализации пегматитовых жил в метаморфических породах беломорского комплекса являются плотность и KAVp.

Петрофизические исследования образцов керна по разрезу СГ-3 были проведены Б.П.Беликовым, Ю.И.Кузнецовым и другими исследователями из различных организаций [Кольская сверхглубокая , 1984; 1998 и др.]. Изучались физико-механические свойства пород, и, особенно, анизотропия упругих свойств в техногенном аспекте для прогноза искривления скважины в процессе бурения. Определялись плотность, пористость, проницаемость, а также упругие, деформационно-прочностные, магнитные, радиоактивные свойства пород, скорости упругих волн и их анизотропии в образцах керна скважины. Анизотропия определялась путем сопоставления замеров скоростей вдоль и поперек образцов керна (при изменяющихся углах падения, слоистости и сланцеватости, линейности).

Детальное структурно-петрофизическое изучение пород разреза СГ-3 было начато диссертантом в 1980 г. и явилось продолжением исследований Б.П.Беликова [Казанский и др., 1985; Кольская сверхглубокая , 1984 и др.]. Наряду с этим сотрудники тематической группы ИГЕМ приступили к систематическому сбору образцов архейских и протерозойских пород по опорному профилю через Печенгский рудный район для структурно- петрофизического изучения и сопоставления с разрезом СГ-3 (см. рис. 1.б). Эти исследования проводились с учетом результатов работ диссертанта в Чупино-Лоухском районе [Лобанов и др., 1982]. Ориентированные образцы пород отбирались в течение 10 лет по опорному профилю длиной 120 км от побережья Баренцева моря на северо-востоке до Аллареченского рудного поля на юго-западе и расположенного поперек простирания тектонических структур района. Наряду с этим проводилась документация и отбирались образцы из керна около 60 скважин, горных выработок и естественных обнажений, что позволило охарактеризовать все тектонические блоки Печенгского рудного района [Казанский и др., 1985, 1996, 2004]. Образцы отбирались из вулканогенных толщ северопеченгской серии как по простиранию Печенгской структуры, так и по опорным профилям поперек ее простирания в западной и центральной частях. Детальные исследования были проведены в Воронье-Колмозерской, Лицко-Арагубской, Порьиташской и Лучломпольской зонах глубинных разломов, а также на контакте раннепротерозойской северопеченгской и архейской кольской серий как по разрезу СГ-3, так и на поверхности. Все эти работы проводились с помощью пунктов структурно- петрофизических наблюдений в масштабах от 1:100000 до 1:2000. Всего в Печенгском рудном районе было изучено около 10000 образцов пород и руд.

Изучение разреза Кольской сверхглубокой скважины в интервале 0-12 км и опорного профиля на поверхности позволило получить два блока данных, соответственно по 1600 и 2400 образцам, которые были собраны, изучены и проанализированы одними и теми же методами и на одних тех же лабораторных приборах, сотрудниками тематической группы [Казанский и др., 1985; Глаголев и др., 1987; Лобанов и др., 1996, 2007 и др.]. Получены данные о плотности, пористости, модулях упругости, скоростях Vp и Vs, петрофизические диаграммы Vp и значения КAVp для метаморфических пород.

Эти исследования позволили найти путь формализации геологической задачи по изучению глубинного строения Печенгского рудного района, который коррелируется с геофизическими методами в области гравиметрии и сейсмики, и провести формализацию разреза СГ-3 и опорного профиля по двум параметрам плотности и КAVp для компьютерной обработки геологических и петрофизических данных с применением новейших технологий [Казанский и др., 1993, 1994, 1997, 2005 и др.]. Все петрофизические параметры рассчитывались для отдельных образцов, а затем они были суммированы по типам пород и методом среднего взвешенного вычислены для формализованных элементов разреза СГ-3 и опорного профиля. Это позволило осуществить перевод геологической информации в форму, доступную для компьютерной обработки, корреляции формализованного разреза скважины, опорного профиля и привлечения материалов наземных гравиметрических съемок. Была проведена петрофизическая характеристика формализованных элементов тектонических блоков по разрезу СГ-3, Северного и Южного крыльев Печенгской структуры на поверхности, а также архейских блоков пород как к северо-востоку, так и к юго-западу от этой структуры.

В результате изучения метаморфических пород, слагающих архейские и раннепротерозойские тектонические структуры северо-восточной части Балтийского щита в Чупино-Лоухском и Печенгском рудном районах, установлено, что плотность пород и коэффициент объемной анизотропии Vp (КAVp) являются основными параметрами для формализации разреза СГ-3, опорных профилей на поверхности, характеристики рудоносных докембрийских структур. Первый параметр характеризует литологический состав пород, второй - интенсивность тектонических деформаций, синхронных с метаморфизмом. Это позволило применять компьютерную обработку геологических и петрофизических данных.

Тематической группой ИГЕМ совместно с лабораторией геоинформатики ВНИИгеосистем была разработана интегральная модель глубинного строения Печенгского рудного района до глубины 15 км [Казанский и др., 1993, 1994, 1997; Lobanov et al., 2003, 2004 и др.]. Структурно-петрофизические данные явились ключом к разработке 2-х важных составных элементов этой модели: 1) определении глубины залегания Печенгской структуры и продуктивной толщи; 2) характеристики преобразования пород северопеченгской серии и приуроченных к ней никеленосных габбро-верлитовых интрузий Печенгского рудного поля.

Структурно-петрофизические исследования были проведены диссертантом с 1985 по 2004 г. на месторождениях сульфидных медно-никелевых руд Печенгского рудного поля совместно с геологами ГМК <Печенганикель> (см. рис. 1.б) [Лобанов, 1990; Лобанов и др., 1989, 2005 и др.]. Были изучены разрезы продуктивной толщи свиты пильгуярви, в которой локализованы все никеленосные интрузивы от СГ-3 через месторождения Спутник и Верхнее по 5 скважинам общей длиной 7000 м, а также центральную часть месторождения Пильгуярвинское по 3 скважинам - 4500 м. Детальные исследования были проведены на месторождениях Восточного рудного узла, в ходе которых изучены особенности внутреннего строения дифференцированных габбро-верлитовых интрузивов, рудных тел и межпластовых зон синметаморфического рассланцевания, по профилям в карьерах и подземных горных выработках общей длиной 6000 м на месторождениях Заполярное, Пильгуярвинское (Юго- Западное, Западное, Центральное, Юго-Восточное, Южное и Восточное рудные тела). Всего изучено 6000 образцов пород и руд с детальным картированием рудных тел, зон тектонических нарушений в масштабе от 1:25000 до 1:50. В результате получены данные о внутреннем строении продуктивной толщи, гетерогенности ее разреза по физико- механическим свойствам пород, особенностях внутреннего строения никеленосных интрузивов, а также установлена роль межпластовых зон синметаморфического рассланцевания в локализации богатых сульфидных медно-никелевых руд.

Важным этапом исследований диссертанта и сотрудников тематической группы ИГЕМ проведенных с 1989 по 2007 гг. совместно с геологами Кольской экспедиции сверхглубокого бурения НПО <Недра> и других организаций явились специальное структурно- петрофизическое и петрологическое изучение образцов керна из архейской части разреза СГ- 3 в интервале 7-12 км и их аналогов с поверхности [Лобанов и др., 1999, 2002; Иванкина и др., 2004 и др.]. Они были проведены на образцах керна из интервалов разреза пройденных алмазным буровым инструментом и наименее затронутых техногенными преобразованиями в процессе бурения, что позволило найти и сопоставить образцы-аналоги с поверхности. Это сопоставление по петрологическим и петрофизическим параметрам позволило дать характеристику пород в зонах пониженных скоростей и повышенной пористости на больших глубинах в интервалах 8-12 км разреза СГ-3, которые выделяются как сейсмические границы.

Выводы

1. Структурно-петрофизический анализ, разработанный ранее для изучения близповерхностных деформаций на рудных месторождениях Урала и Рудного Алтая, впервые был применен и модернизирован диссертантом для изучения глубоко метаморфизованных докембрийских пород Балтийского щита. Для этих пород присуща упругая анизотропия петроструктурно-деформационного типа, так как рудоносные структуры формировались путем пластического течения, перекристаллизации и плавления пород.

2. Применение модернизированного структурно-петрофизического метода для изучения петрофизических свойств и анизотропии метаморфических пород было проведено в тесной взаимосвязи с данными по метаморфизму и тектоническим деформациям на образцах из разреза СГ-3, опорных профилей на поверхности, которые были собраны, изучены и проанализированы одними и теме же исследователями, одними и теми же методами, и на тех же лабораторных приборах. Определены параметры физико-механических свойств метаморфических пород Чупино-Лоухского и Печенгского районов с раннепротерозойскими месторождениями мусковитовых пегматитов и сульфидных медно-никелевых руд.

3. Определены основные петрофизические параметры для формализованного описания разреза Кольской сверхглубокой скважины, опорных профилей на поверхности, рудоносных докембрийских структур Чупино-Лоухского и Печенгского рудных районов. Это плотность как показатель литологического состава пород и коэффициент объемной анизотропии Vp (KAVp), как индикатор интенсивности синметаморфических тектонических деформаций, позволяющие применять компьютерную обработку геологических и петрофизических данных.