Трехмерное геолого-геофизическое моделирование Озернинского полиметаллического рудного узла по результатам комплексной геологической интерпретации геофизических данных

Актуальность темы

.

На современном этапе исследований центральной части Байкальской складчатой области, в условиях исчерпания фонда расположенных вблизи дневной поверхности колчеданно-полиметаллических месторождений, необходимо решение задачи изучения глубинного строения, тектонических и геодинамических условий формирования рудных узлов и разработка новых геолого-геофизических критериев их локализации.

Исследования в районе были начаты с региональных геофизических работ: аэромагнитная съемка масштаба 1:1 000 000 (Прытов А.И.), 1:200 000 (Сусленников П.Р.), 1:50 000 (Шпильков K.M.) — гравиметрическая съемка масштаба 1:1 000 000 (Попов Н. М), 1:20 000 (Городнов О.В.). По результатам этих работ рекомендован для наземной проверки с целью поисков железорудных месторождений ряд интенсивных аэромагнитных аномалий. Наземные крупномасштабные геофизические работы были начаты с магнитометрической съемки масштаба 1:25 000 (Дуденков П.М.), гравиметрической съемки масштаба 1:50 000 (Борисова Н.В., Емельяненко И. Б., Нефедьев В.И.). По результатам общих поисков оконтурена продуктивная эффузивно-осадочная толща, определено положение Озернинского рудного узла в общей структуре региона, выявлены грави-магнитные аномалии над магнетитовыми и полиметаллическими месторождениями, крупными структурными блоками и разломами. Недостатком этих работ явилась низкая точность увязки съемок, длившихся более 20 лет, по уровню полей.

Следует отметить, что весь комплекс геофизических исследований был ориентирован на поиски рудных объектов с небольшой глубиной залегания до 300 — 400 м. К концу 70-х годов большинство месторождений залегающих в верхней части разреза были выявлены и частично опоискованы. Недостаточность разведанных запасов полиметаллических руд для строительства крупного ГОКа послужила стимулом для перехода на глубинные геофизические методы поисков.

Крайняя сложность геологического строения района обусловила неоднозначность интерпретации имеющихся материалов, вследствие чего геологические карты, составленные разными исследователями, существенно различаются между собой (Панов K.M., Малаев В. И., Тарасова Н.К.).

Работы по переинтерпретации материалов геофизических съемок выполнены с использованием современных технологий съемки, обработки и интерпретации данных, в том числе методик трехмерного геолого-геофизического моделирования и многофакторного прогнозирования (алгоритмы распознавания образов с обучением).

Результаты исследований глубинных геолого-структурных особенностей рудовмещающей структуры и разработанные методические приёмы интерпретации материалов картирования потенциальных полей могут быть использованы при решении задач структурной геологии, как в пределах Озернинского рудного узла, так и в других районах центральной части Байкальской складчатой области.

Цель работы. Повышение эффективности геологоразведочных работ при поиске слабо проявленного на поверхности оруденения на основе применения полимасштабного подхода к изучению геолого-структурной позиции Озернинского рудного узла.

Основные задачи исследований:

Региональный этап исследований.

• Разработка региональной геолого-структурной схемы центральной части Байкальской складчатой области;

• Обоснование последовательности и характера проявления палеозойских и мезозойских геодинамических обстановок, определяющих характер структуроформирующих процессов на территории рудного узла;

• Построение генерализованной геолого-структурной схемы Озернинского рудного узла.

Детальный этап исследований.

• Анализ и обобщение материалов ранее выполненных геологических и геофизических съемок, создание рабочего банка данных геолого-геофизической информации в цифровой форме;

• Обработка и интерпретация геофизических полей с использованием современных алгоритмов геолого-геофизического моделирования.

• Разработка комплексной трехмерной геолого-геофизической модели Озернинского рудного узла.

• Изучение мирового опыта комплексных исследований месторождений колчеданно-полиметаллического типа, поиск природных аналогов и использование их свойств для обоснования историко-эволюционной и геолого-структурной моделей рудного узла;

• Разработка новых геолого-структурных критериев локализации месторождений колчеданно-полиметаллического типа.

Идея работы. С целью уточнения параметров залегания кембрийских вулканогенно-осадочных отложений Озернинского рудного узла следует применять алгоритм расчета плотности распределения особых точек аномального магнитного поля в скользящем окне.

Научная новизна:

• На основе обобщения, обработки и интерпретации региональных геолого-геофизических данных на территории центральной части Байкальской складчатой области (в пределах восточной части листа N-49 и западной части листа N-50) обоснована геолого-структурная позиция, характер и последовательность проявления геодинамических обстановок формирования в ранне-, позднепалеозойское и мезозойское время, что позволило обосновать генерализованные черты глубинного строения рудовмещающей вулканогенно-осадочной депрессии.

• На основе детального геолого-геофизического моделирования установлена рифтогенная природа вулканогенно-осадочной депрессии и изучены параметры ее глубинной морфологии.

Практическая значимость. На основе выполненного геолого-геофизического моделирования выделены параметры, которые могут быть использованы для локализации оруденения заданного типа. Разработанный методический подход позволяет расшифровать строение сложной рудовмещающей структуры и может быть применен для подобных объектов в пределах Байкальской складчатой области.

Защищаемые положения.

1. На основе интерпретации комплекса региональных геофизических съемок и историко-эволюционного анализа центральной части Байкальской складчатой области установлено, что основные черты глубинного строения Озернинского рудного узла определяются: формированием вулканогенно-осадочной депрессии в условиях раннепалеозойской активной континентальной окраиныгранитоидным плутонизмом позднепалеозойской континентальной окраины, определяющим его латеральные границы и тыловодужным рифтогенезом мезозойской активной континентальной окраины, сформировавшей клавишно-блоковое строение рудного узла.

2. Объемное моделирование рудного узла, выполненное на основе комплексной интерпретации детальных геофизических съемок, позволило обосновать рифтогенную природу депрессии и оценить главные черты ее глубинного строения: северо-восточное простирание глубинных рифтогенных дислокаций, дискордантных по отношению к внешним границам депрессии, асимметричную морфологию с максимальной мощностью осадочно-вулканогенных отложений более 3.5 км в осевой части и уменьшением глубины подошвы до 0.5−1.5 км на флангах структуры.

3. С целью локализации поисковых площадей на рудные объекты аналогичные Озерному месторояадению следует использовать геолого-структурные и геофизические факторы, полученные в результате объемного моделирования Озернинского рудного узла.

Методика исследования. Для решения поставленных задач на региональном и детальном этапах исследований была проведена обработка и комплексная геологическая интерпретация данных геофизических съемок с использованием современных алгоритмов. Обработка материалов потенциальных полей в латеральном измерении производилась с использованием трансформаций исходных полей, (программный пакет Oasis Montaj). Их последующая качественная интерпретация выполнялась с использованием приемов линеаментного анализа. Главным этапом методики моделирования является поиск хорошо изученных аналогов Озернинского рудного узла и использование их свойств для оценки генезиса и морфологии изучаемой рудоконтролирующей структуры.

Достоверность. Достоверность выполненных исследований определяется развернутым научным обоснованием параметров рифтогенной депрессии, применением современных технологий обработки и интерпретации геофизических материалов и использованием данных научно-теоретических обобщений и фактических материалов геологических съемок.

Заключение

.

Структура и содержание диссертационной работы определяется базовой научной идеей исследования, предусматривающей развитие научного обоснования для геолого-структурной и геодинамической классификации Озернинского рудного узла, выбора его природных аналогов и использования их свойств для выполнения глубинного моделирования рудоконтролирующей структуры с использованием современных технологий обработки и интерпретации потенциальных геофизических полей.

В работе реализован полимасштабный методический подход, который включает в себя региональный и детальный этапы исследований. На основе геолого-геофизических построений регионального этапа исследований аргументировано отнесение главного колчеданно-полиметаллического месторождения «Озерное» к хорошо изученному в мировой геологической практике типу SEDEX. Детальный этап исследований ориентирован на изучение закономерностей локализации месторождений колчеданно-полиметаллического типа в пределах Озернинской рудоконтролирующей вулкано-тектонической структуры с использованием свойств хорошо изученных природных аналогов — структур, вмещающих крупнейшие в Мире месторождения типа SEDEX (Sullivan, Faro, Grum и др.).

Диссертационная работа структурирована в виде глав, каждая из которых содержит аргументацию защищаемого положения.

В первой главе содержится подробная характеристика геологических образований центральной части Байкальской складчатой области и рассматривается строение и тектоническое положение Озернинского рудного узла. Блоковое строение региона, распределение в их пределах индикаторных комплексов и разрывных нарушений иллюстрируется оригинальной геолого-структурной схемой, составленной с использованием материалов ВСЕГЕИ и территориальных производственных организаций. Авторский научный вклад заключается в уточнении блоковой структуры региона исследований и систематизации разрывных дислокаций. При этом основные усилия были сосредоточены автором на картировании тектонических структур обрамляющих Озернинский рудный узел.

Для изучения блоковой структуры и разрывных нарушений автор выполнил обработку гравиметрических и магнитометрических материалов и провел их качественную геологическую интерпретацию. Это позволило уточнить закономерности распределения разрывных дислокаций и оценить их пространственно-временные соотношения.

В работе рассмотрены современные научные плейт-тектонические представления об истории формирования центральной части Байкальской складчатой области и исследована последовательность проявления в ее пределах геодинамических обстановок для трех временных этапов: ранний палеозой, поздний палеозой, средний — поздний мезозой.

На основе этих региональных построений автором создан структурно тектонический каркас Озернинского рудного узла в виде обобщенной геолого-структурной схемы, включающей следующие структурно-вещественные подразделения:

1. Озернинская вулканогенно-осадочная депрессия, выполненная породами олдындинской свиты, границами которой являются разрывные нарушения сдвиго-сбросовой кинематики северо-восточного простирания и оперяющие сбросы север-северо-восточного простирания.

2. Мезозойские впадины, имеющие общее северо-восточное простирание. Особенности их морфологии определяются, помимо доминирующих сдвиговых северо-восточных дислокаций, сбросами север-северовосточного простирания.

3. Гранитоидный плутон сиенит-гранодиорит-гранитового состава, ограничивающий рудоконтролирующую депрессию с северо-западного и юго-восточного направлений. Для гранитоидов характерны значения л плотности 2,58 — 2,67 т/см и удельного электрического сопротивления.

25 000 — 30 000 Ом*м.

Охарактеризованные выше особенности строения и вещественного состава доминирующих геологических образований Озернинского рудного узла свидетельствуют об эффективности использования гравиразведочного, магниторазведочного и электроразведочного методов для изучения глубинного строения рудного узла.

Вторая глава посвящена объемному моделированию Озернинского рудного узла. В ней приведен анализ ранее проведенных геолого-геофизических исследований и излагаются основные результаты поисковых работ. Для решения задачи объемного моделирования автор создал рабочий банк данных, включающий в себя оцифрованные данные геологического картирования, матрицы гравитационного и магнитного полей. С учетом сложной многоэтапной истории формирования структурно-вещественного каркаса рудного узла был выполнен расчет трансформаций геофизических полей, позволяющих повысить контрастность проявления изучаемых геологических объектов. При проведении качественной интерпретации потенциальных геофизических полей и их трансформаций автором была применена методика линеаментного анализа. Это позволило проследить доминирующие деформации разного простирания и оценить их взаимные пространственно-временные соотношения. Главным результатом этого цикла исследований явилось выделение на фоне наиболее контрастных север — северовосточных и восток — северо-восточных относительно более слабо проявленной глубинной шовной зоны северо-восточного простирания, которая, по мнению автора, имеет рифтогенную природу, определяющую заложение в раннем палеозое Озернинской вулканогенно-осадочной депрессии.

Для изучения морфологии вулканогенно-осадочной структуры в вертикальных сечениях была построена система опорных разрезов с использованием алгоритмов решения обратной задачи потенциальных полей.

На подготовительном стадии этого этапа работ автор выполнил оценку информативности различных алгоритмов интерпретации профильных кривых гравитационного и магнитного полей и обосновал выбор способов «вейвлет-преобразования» и «особых точек методом расчета аналитического сигнала». Ключом к последующей геологической интерпретации результатов решения обратной задачи, полученных с использованием этих способов, явились результаты обработки теоретических кривых гравитационного и магнитного полей имитационной модели изучаемой рифтогенной структуры.

Одной из узловых проблем при моделировании Озернинского рудного узла явилось определение вещественного состава вмещающей среды. Расчет параметров «эффективной плотности» и «эффективной намагниченности» в сечении условного регионального профиля позволил обосновать предположение о том, что в основании кембрийской вулканогенно-осадочной депрессии залегают образования древнего кристаллического фундаментаразрез ее флангов выполнен гранитоидами позднепалеозойского возраста и рифтогенными структурами юрско-мелового периода, которые картируются на дневной поверхности.

При построении геолого-структурной схемы учитывались данные геологического картирования и выводы, полученные на стадии качественной интерпретации потенциальных геофизических полей. При этом базовые элементы мезозойского тектонического каркаса были заимствованы с генерализованной геолого-структурной схемы, выполненной на региональном этапе исследований. При изучении закономерностей распределения потенциальных полей относительно контуров развития Озернинской вулкано-тектонической депрессии, автором было аргументировано предположение о структуроформирующей роли раннепалеозойского рифта северо-восточного простирания, положение которого по косвенным геофизическим признакам намечено на фоне более контрастных мезозойских дислокаций восток — северовосточного и север — северо-восточного простираний.

Детальное изучение морфологии вулканогенно-осадочной депрессии в вертикальном сечении выполнено вдоль опорного профиля № 2, обеспеченного данными аудио магнитотеллурического зондирования. Было показано, что на электроразведочном разрезе областям развития раннепалеозойских вулканогенно-осадочных образований отвечают ареалы пониженных значений кажущегося удельного электрического сопротивления. Согласно этим данным моделируется грабенообразная морфология изучаемой рифтогенной структуры с глубоко погруженной осевой частью (мощность образований депрессии до 4 км) с воздыманием подошвы структуры в сторону флангов. Сопоставление особенностей геоэлектрического разреза с материалами, полученными после обработки данных потенциальных полей, показало, что наиболее уверенно они коррелируются с распределением особых точек аномального магнитного поля: ареалам развития низкоомных толщ отвечают облака сгущения особых точек типа «контакт». Эта закономерность позволила автору выполнить моделирование рифтогенной структуры вдоль регулярной системы интерпретационных сечений, не обеспеченных электроразведочными данными. Эти разрезы были положены в основу объемной модели вулканогенно-осадочной депрессии, представленной в виде системы регулярных разрезов и связующей геолого-структурной схемы. На последней характеристика морфологии подошвы депрессии охарактеризована системой изолиний, заданных с шагом 250 м. Общее простирание изолиний отвечает выделенной раннепалеозойской рифтогенной структуре.

При проведении объемного моделирования Озернинской депрессионной структуры, расположенной в пределах центральной части Байкальской складчатой области, заложение и эволюция которой происходила в ходе длительной фанерозойской эволюции, автору пришлось использовать нестандартные подходы к обработке и интерпретации геолого-геофизической информации:

1. Региональные геолого-структурные построения были направлены на изучение тектонической позиции рудовмещающей вулканогенно-осадочной депрессии и создание генерализованной модели ее глубинного строения.

2. Результаты регионального историко-эволюционного анализа позволили обосновать выбор природных аналогов с целью использования их свойств для оценки главных особенностей строения изучаемой структуры. Принципиальное значение для последующих построений имело обоснование рифтогенной природы этой структуры.

3. Выполненная на этапе детальных исследований качественная интерпретация потенциальных геофизических полей позволила выделить древний структурный план предположительно раннепалеозойского времени заложения, имеющий северо-восточное простирание и не согласующийся с параметрами наиболее контрастных тектонических границ, заложение которых связывается с мезозойскими тектоно-магматическими процессами.

4. Определяющие черты морфологии Озернинской структуры установлены вдоль опорного сечения № 2, обеспеченного материалами аудио магнитотеллурического зондирования и результатами специализированной обработки потенциальных геофизических полей. Согласно особенностям геоэлектрического разреза и интерпретационным разрезам, рассчитанным по потенциальным геофизическим полям удалось оценить морфологию рифтогенной депрессии вдоль всех сечений и построить объемную модель ее строения.

В третьей главе содержится обоснование геолого-структурных и геофизических факторов локализации колчеданно-полиметаллических месторождений. При выделении этих параметров автором были изучены закономерности локализации колчеданно-полиметаллических месторождений типа SEDEX, находящихся на завершающей стадии эксплуатации — Sullivan, Faro, Grum и другие. Оценка минерагенической информативности факторов на площади детальных исследований выполнена автором с использованием алгоритма распознавания образов с обучением. В качестве «объекта обучения» был задан контур Озерного колчеданно-полиметаллического месторождения. В работе использован алгоритм А. И. Атакова, который ранее был апробирован на большом числе прогнозно-минерагенических задач на широкий комплекс полезных ископаемых. В качестве главных признаков были рассмотрены такие параметры, как положение главной оси раннепалеозойской рифтовой зоны, пространственно приуроченные к ней области максимального погружения подошвы депрессии (более 3000 м и 2500 — 3000 м), зоны глубинных тектонических дислокаций на фланговых частях рифтогенной зоны, где глубина подошвы картируется на глубинах от 0,5 до 1,5 км. В исследовании был задействован ряд геофизических факторов, таких как: положение ареалов повышенной «эффективной плотности», расчет которых выполнен методом «вейвлет-преобразования», распределение ареалов с повышенными магнитными свойствами.

В результате выполненных расчетов было получено решение задачи распознавания образов с обучением, которое классифицирует территорию по параметру «близости» к объекту обучения. Наиболее интересно положение Звездного месторождения, которое рядом исследователей относится к тому же типу что и Озерное месторождение. Его параметры не были включены в выборку, и оно рассматривалось автором в качестве контрольного объекта. Полученное решение, в котором Звездное месторождение находится в центре аномальной области, свидетельствует о корректности проведенных построений.

Выполненные построения позволяют рекомендовать в качестве важнейших факторов локализации колчеданно-полиметаллического оруденения такие геолого-структурные параметры рифтогенной депрессии как: положения осей рифтогенной структуры, наиболее погруженные зоны депрессии, а также геофизические характеристики отражающие развитие наиболее плотных и магнитных образований.

Результаты исследований глубинных геолого-структурных особенностей рудовмещающей структуры и разработанные методические приёмы интерпретации материалов картирования потенциальных полей могут быть использованы при решении задач структурной геологии, как в пределах Озернинского рудного узла, так и в других районах центральной части Байкальской складчатой области.