Геология апатито-нефелинового месторождения Коашва (Хибинский массив)

Общая характеристика работы.

Актуальность исследования. Крупнейший в мире Хибинский массив нефелиновых сиенитов и фоидолитов расположен в центральной части Кольского полуострова на контакте архейских гранито-гнейсов и протерозойского осадочно-вулканогенного комплекса (рис. 1). Основными породами, слагающими массив, являются нефелиновые сиениты - фойяиты (включая их разновидности - хибиниты и лявочорриты), разделенные на две приблизительно равные по объёму части кольцевой (конической) зоной мельтейгит-уртитов, окаймлённой обогащёнными калием нефелиновыми сиенитами - рисчорритами (т.н. Центральная дуга или Главное кольцо). Апатито-нефелиновые и титанито-апатито-нефелиновые породы формируют линзово-штокверковые залежи в апикальных частях фоидолитовой толщи и связаны с ней постепенными переходами. Вот уже более столетия массив привлекает к себе пристальное внимание геологов, петрологов и минералогов, - прежде всего, ввиду наличия в нём гигантских месторождений апатито-нефелиновых руд. Однако интенсивность дискуссий по поводу возрастных взаимоотношений и генезиса слагающих массив пород за это время только возросла. Особенно остры дебаты об образовании рисчорритов, которые одними исследователями относятся к магматическим образованиям (Ферсман, 1931; Куплетский, 1937; Елисеев и др., 1939; Зак и др., 1972; Галахов, 1975; Арзамасцев и др., 1987 и др.), другими - к метасоматическими (Солодовникова, 1959; Тихоненков, 1963; Костылёва-Лабунцова и др., 1978; Боруцкий, 1997, Агеева, 2004 и др.), третьими - к породам гибридного генезиса (Сняткова и др., 1983). Разные мнения высказываются и о происхождении апатито-нефелиновых месторождений, которые относят либо к магматическим образованиям, связывая их с ийолит-уртитовой или с самостоятельной апатито-нефелиновой магмой (Куплетский, 1932; Иванова, 1963 и др.), либо к постмагматическим - гидротермально-пегматитовым или метасоматическим (Курбатов, 1952; Солодовникова, 1959; Перекрест и др., 1985 и др.). Не проще обстоит дело и с представлениями о структуре месторождений. Закономерности их геологического строения, выявленные в процессе изучения и эксплуатации монолинзовых месторождений Юго-западного рудного поля, оказались неприменимы в других рудных узлах массива.

Рис. 1. Схема геологического строения Хибинского массива (Сняткова и др., 1983, с упрощениями). Апатито-нефелиновые месторождения и рудопроявления: 1 - Валепахк, 2 - Партомчорр, 3 - Куэльпорр, 4 - Снежный Цирк, 5 - Кукисвумчорр, 6 - Юкспорр, 7 - Апатитовый Цирк, 8 - Плато Расвумчорр, 9 - Коашва, 10 - Ньоркпахк, 11 - Олений Ручей.

В частности, при отработке Коашвинского месторождения геологическая служба ОАО "Апатит> столкнулась с существенными расхождениями в контурах продуктивных залежей по данным детальной и эксплуатационной разведок, со значительной изменчивостью формы и пространственного положения рудных тел за счёт их высокой фрагментированности, с неоднозначностью интерполяции контактов рудных тел между скважинами. Учитывая, что с вовлечением в отработку более глубоких горизонтов месторождения и естественным ростом себестоимости добычи руды растёт и цена ошибок интерпретации геологических данных, руководство ОАО "Апатит> приняло решение о постановке научно-исследовательских работ по уточнению закономерностей геологического строения Коашвинского месторождения, результаты которых и составили основу настоящей диссертации.

Целью диссертационной работы является определение структуры Коашвинского апатито-нефелинового месторождения с привлечением методов фрактальной геометрии, выявление закономерностей структурно-вещественной зональности рудовмещающей толщи и разработка непротиворечивой концепции формирования апатито-нефелиновых месторождений.

Поставленная цель исследования определила следующий перечень задач:
1) изучить элементы структурной организации рудных тел;
2) создать объёмную геолого-структурную модель месторождения на основе переинтерпретации всех имеющихся разведочных и эксплуатационных данных;
3) на базе созданной модели оценить сложность строения рудной зоны методами фрактальной геометрии;
4) изучить структурно-вещественную зональность рудовмещающей толщи и её соотношение с общей зональностью Хибинского массива;
5) связать полученные данные в рамках непротиворечивой генетической концепции;
6) разработать рекомендации по оптимизации сети разведочных выработок и обеспечению бесперебойной добычи руды на хибинских месторождениях.

Фактический материал и методы исследований. В работе по изучению структуры Коашвинского месторождения были использованы данные, предоставленные геологическими службами ОАО "Апатит> и ОАО "Мурманская ГРЭ>: результаты рядового опробования по 1170 скважинам детальной и эксплуатационной разведки; графики нейтронно-активационного каротажа по 8 скважинам, последовательно пересекающим рудную зону на абсолютных отметках от +200 до -800 метров; топографическая основа с вынесенными проекциями скважин. В результате переинтерпретации разведочных и эксплуатационных данных была создана объёмная модель рудной зоны и проведена её оценка методами фрактальной геометрии (программа Fractal Dimension). Для изучения вещественной зональности массива отобрано 125 проб по профилю, пересекающему все породные комплексы от периферии к центру массива в его западной и южной части и проходящему через месторождение Коашва (см. рис. 1). Во всех пробах определён химический (24 компонента) и минеральный состав, проведена рентгеновская диагностика минералов (дифрактометры УРС-1 и ДРОН-2), (электронно-)микроскопическое исследование их взаимоотношений (оптический микроскоп Amplival, сканирующий электронный микроскоп LEO-1450 с ЕДС-анализатором Röntec); микрозондовым методом изучен состав всех обнаруженных минералов (1916 анализов, выполненных на электроннозондовом микроанализаторе MS-46 "Cameca>), рассчитаны 1503 кристаллохимических формулы минералов (программа "Minal>), выполнена количественная оценка трахитоидности нефелиновых сиенитов в 72 полированных штуфах (программа ImageTool 3.0) и определён состав и содержание пиролизных газов (10 компонентов) в 42 пробах (серийный хроматограф с оригинальной приставкой для извлечения и разделения продуктов пиролиза). Проведена статистическая обработка полученных данных с целью выявления схем изоморфизма в минералах и пространственных закономерностей изменения состава пород и минералов (программы Statistica 8, TableCurve 2d 5.0).

Личный вклад автора. Обобщены и вынесены на разрезы данные рядового опробования более 1170 разведочных скважин. Построены 106 геологических разрезов по разведочным профилям через 25 метров, 5 продольных разрезов и 3 погоризонтных плана Коашвинского месторождения через 100 метров. Определена фрактальная размерность штокверка апатито-нефелиновых пород. Оцифрованы графики нейтронно-активационного каротажа (НАК 16N) по 8 скважинам, построены их спектры Фурье и определена фрактальная размерность анализируемых кривых. Определена фрактальная размерность апатитовых кластеров в рудах основных текстурных типов. Разработаны рекомендации, касающиеся дальнейшего изучения и эксплуатации Коашвинского месторождения и всего Юго-Восточного рудного поля (см. рис. 1). В ходе полевых работ 2003-2005 годов отобраны и подготовлены к лабораторным исследованиям 125 проб для изучения зональности массива. Изучены под оптическим микроскопом, задокументированы и подготовлены для микрозондовых исследований 125 комбинированных шлифов. Подготовлены для рентгенофазового анализа 125 препаратов. Проведена диагностика установленных минеральных фаз по данным микрозондового и рентгенофазового анализов (около 1700 минералов). Выполнен расчёт кристаллохимических формул 13 породообразующих и акцессорных минералов (1503 анализа). Проведена подготовка проб для изучения состава пиролизных газов, проинтерпретированы результаты. Проведена статистическая обработка полученных данных.

Научная новизна работы состоит в принципиально новом методологическом подходе к изучению структурно-текстурных свойств геологических объектов на основе фрактальной геометрии, в сборе и анализе новых сведений о строении, минералогии, геохимии и закономерностях изменения состава не только рудовмещающей мельтейгит-уртитовой толщи месторождения, но и всех других породных комплексов массива. На основе переинтерпретации разведочных и эксплуатационных данных создана авторская объёмная модель рудной зоны Коашвинского апатито-нефелинового месторождения, представляющего собой достаточно пористый фрактальный кластер фторапатита в мельтейгит-уртитах. Комплексное изучение структурно-вещественной зональности Хибинского массива существенно пополнило данные по петрографии массива и позволило связать его концентрическую зональность с метасоматической переработкой нефелиновых сиенитов флюидизированными фоидолитовыми расплавами, внедрившимися по Главному кольцевому разлому. В ходе работы была развита модель Б. М. Куплетского (1932, 1937) и А. Е. Ферсмана (1931, 1941) по формированию Главной кольцевой зоны фоидолитов с её гигантскими месторождениями апатита по коническому разлому в монотонно-зональном массиве фойяитов. Показано, что эта долгоживущая разломная зона, обусловленная приповерхностной дилатансией воздымающейся фойяитовой протрузии, имеет фрактальное строение и не только полностью определяет геометрию мельтейгит-уртитов, апатитовых месторождений, жильных штокверков и участков современного минералообразования, но и ответственна за симметричную вещественную зональность всего Хибинского массива.

Практическая значимость работы. Получена принципиально новая информация о структуре и свойствах рудной зоны Коашвинского месторождения, позволившая разработать ряд рекомендаций по дальнейшему изучению и эксплуатации хибинских месторождений. Эта информация может быть применена для усовершенствования технологии и планирования добычных работ, для проектирования подземной отработки не только Коашвинского, но и других месторождений Юго-Восточного рудного поля, а также глубоких горизонтов разрабатываемых "монолинзовых> месторождений Кукисвумчорр-Расвумчоррской группы. Данные о структурно-вещественной зональности массива и типохимизме минералов могут быть использованы для прогноза свойств промышленно ценных минералов (в первую очередь, фторапатита и нефелина) и разбраковки рудопроявлений по степени их промышленной перспективности. Результаты этой работы в совокупности с данными по организации рудоносной системы архейских железорудных комплексов послужили базисом для разработки и апробации ряда прогнозно-поисковых методов, основанных на теории самоорганизации (Иванюк и др., 2009).

Защищаемые положения:

1. Месторождение Коашва представляет собой линейный штокверк (перколяционный кластер) фторапатита в мельтейгит-уртитах, фрактальная размерность которого изменяется в пределах от 2.6 до 2.7 в интервале масштабов от 0.001 до 300 метров. К остову кластера, непосредственно ответственному за протекание рудогенных флюидов, приурочены наиболее богатые апатитовые руды.

2. Распределение рудных и безрудных блоков всех возможных размеров по объёму, занимаемому рудным штокверком месторождения Коашва, носит случайный характер в соответствии со статистическими свойствами перколяционного кластера.

3. Текстурно-вещественная зональность Хибинского массива обусловлена прогревом и метасоматической переработкой изначально монотонно-зонального тела фойяитов под действием внедрившихся по кольцевому разлому фоидолитовых расплавов. Интенсивность метасоматических преобразований и степень дифференцированности пород в районе Коашвинского месторождения заметно выше, чем в слаборудном секторе фоидолитового кольца.

4. По мере приближения от краевой и центральной частей Хибинского массива к Главному фоидолитовому кольцу фторапатит освобождается от изоморфных примесей Na, REE и Si в пользу Ca, Sr и P. В пределах самого Главного кольца богатые руды (и крупные месторождения) содержат низкостронциевый апатит, бедные руды (и мелкие месторождения) - высокостронциевый апатит.

Апробация работы и публикации. Результаты исследований обсуждались на международной конференции "Углерод: минералогия, геохимия и космохимия" (Сыктывкар, 2003); III международном семинаре "Плюмы и проблема глубинных источников щелочного магматизма" (Иркутск, 2003); 32 Международном геологическом конгрессе (Флоренция, 2004); Х всероссийском петрографическом совещании "Петрография ХХI века" (Апатиты, 2005); II и III ферсмановских научных сессиях Кольского отделения РМО (Апатиты, 2005 и 2006); научно-практической конференции "MINEX FORUM Северо-Запад 2007> (Петрозаводск, 2007); VII Конкурсе русских инноваций (Москва, 2008); международной конференции "Месторождения природного и техногенного минерального сырья: геология, геохимия, геохимические и геофизические методы поисков, экологическая геология> (Воронеж, 2008); а также на научно-технических советах в ОАО "Апатит> и КПР по Мурманской области. По вопросам, так или иначе затрагиваемым в диссертации, опубликовано 5 статей в отечественных журналах, 5 статей в международных журналах, 1 коллективная монография, 3 статьи в тематических сборниках, 8 статей в сборниках трудов и материалов конференций, 1 фондовый отчёт. В том числе 9 статей опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК для публикации основных результатов докторских и кандидатских диссертаций,

Объём и структура работы. Работа общим объёмом 275 страниц состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы. Она включает 17 таблиц, 144 рисунка, 12 текстовых приложений и список цитированной литературы из 197 наименований. В первой главе дана общая характеристика геологического строения массива и основные генетические схемы, объясняющие его концентрически-зональную структуру. Приведена детальная петрографическая характеристика пород массива, выполненная на основе авторских и опубликованных материалов. Вторая глава посвящена анализу закономерностей строения Коашвинского апатито-нефелинового месторождения, включая раздел о фрактальных свойствах апатитового кластера. В третьей главе изложены результаты системного изучения геохимической и минеральной зональности Хибинского массива. В четвёртой главе рассматриваются геодинамические условия и механизм формирования фрактальных штокверковых структур Главного кольца. В заключении обобщены основные выводы по результатам проведённых исследований и представлена авторская генетическая модель Хибинского массива и его апатито-нефелиновых месторождений.

Благодарности. Представленная работа является результатом системного изучения Хибинского массива, выполненного в лабораториях самоорганизации минеральных систем и физических методов исследования пород, руд и минералов Геологического института Кольского НЦ РАН в НИР по темам 4-99-4804 "Самоорганизация минеральных систем: геодинамические и металлогенетические следствия> и 4-2004-4801 "Перколяционные кластеры как ведущий мотив геологического структурирования тектоносферных ансамблей>. Исследования проводились в тесном сотрудничестве с д.г.-м.н. П.М.Горяиновым, д.г.-м.н. Г.Ю.Иванюком, А.О.Калашниковым, к.г.-м.н. Ю.А.Корчак, к.г.-м.н. Я.А.Пахомовским и к.г.-м.н. В.Н.Яковенчуком при финансовой поддержке ОАО "Апатит>, Комитета природных ресурсов по Мурманской области и ООО "Минералы Лапландии>. Изображения комбинированных шлифов в обратно-рассеянных электронах получены Я.А.Пахомовским; им же выполнены все микрозондовые анализы. Рентгенофазовый анализ минералов проводился Ю.П.Меньшиковым, Е.А.Селивановой и М.И.Квятковской. Химический состав пород определён в химической лаборатории Геологического института КНЦ РАН Л.Г.Балашовой, Г.Г.Гулютой, Н.Д.Евдокимовой, Л.И.Константиновой, М.Г.Тимофеевой и А.В.Сартасовой. Расчёт кристаллохимических формул минералов выполнен в программе "МИНАЛ>, разработанной Д.В.Доливо-Добровольским (ИГГД РАН). Изучение состава пиролизных газов проведено в рамках проекта INTAS 01-0244 "Hydrocarbons in alkaline and carbonatite intrusions: geochemistry and distribution, origin and evolution, environmental, geological and metallogenic implications> в сотрудничестве с к.г.-м.н. В.А.Нивиным (ГИ КНЦ РАН) и А.А.Кульчицкой (ИГМР НАН Украины). С.С.Глубокий, Б.Л.Коробов, А.П.Николаев, Н. П. Томчук (ОАО "Апатит>) и В.А.Степанов (С-Пб ГГИ) участвовали в творческом обсуждении результатов изучения Коашвинского месторождения, а к.г.-м.н. М. И. Дубровский (ГИ КНЦ РАН) консультировал автора по петрологическим вопросам формирования щелочных пород и выполнил петрохимические пересчёты анализов пород. Всемерную поддержку и содействие в проведении исследований оказали В.Г.Зайцев и С.Е.Парамонов (ФГУ "ТФИ по Северо-Западному федеральному округу>). Всем названным лицам и организациям я выражаю самую искреннюю благодарность.

Считаю своим приятным долгом выразить особую признательность моим научным руководителям д.г.-м.н, профессору П.М.Горяинову и д.г.-м.н. Г.Ю.Иванюку за их неоценимую помощь и поддержку, без которых данная работа была бы просто невозможна.