ПРЕДИСЛОВИЕ
advertisement
ПРЕДИСЛОВИЕ Структурно-петрофизический анализ является одним из новых перспективных направлений структурных исследований рудных полей и месторождений полезных ископаемых. В его основе лежит теоретически установленная и экспериментально проверенная закономерная количественная связь физико-механических свойств пород и руд с их составом и структурой, которая является отражением условий их формирования, а также характера и интенсивности наложенных преобразований. Изучение этих вопросов базируется на результатах фундаментальных исследований П. Кюри, Б. Зандера, Г. Беккера, М.В. Гзовского и других выдающихся ученых. Под руководством профессора В.И. Старостина в рудно-петрофизической лаборатории МГУ был сформирован комплекс методов и создана техническая база для массового определения физико-механических, пьезоэлектрических и других физических свойств горных пород и руд, а также разработан ультразвуковой структурный анализ пород и руд, использующий упругие характеристики для исследования анизотропии. На этой основе стало возможным осуществлять реконструкцию полей палеотектонических напряжений на последовательных этапах формирования структур месторождений и рудных полей, производить количественную оценку тектонических деформаций, метасоматических, метаморфогенных и других видов преобразования пород и руд. Разработанные количественные методы позволяют повысить достоверность выделения и картирования фаций пород; выделять петрофизические типы сред структурообразования и рудоконтролирующие структурные парагенезисы, осуществлять прогнозную оценку оруденения различных структурноморфологических типов. К новым направлениям в использовании структурно-петрофизического анализа относится оценка экранирующих свойств пород в местах захоронения радиоактивных отходов и показателей качества и обогатимости различных видов природного и синтетического минерального сырья. Методика структурно-петрофизических исследований технологически отработана и доступна к использованию широким кругом геологов. Опыт их проведения показал, что составной их частью всегда являются результаты применения ряда других видов структурного анализа (изучение трещинной тектоники, тектонофизический и микроструктурный анализ). Поэтому в настоящее время структурно-петрофизический анализ включает основы этих методов, адаптированные к решению задач по изучению факторов локализации и совершенствованию критериев прогнозной оценки рудных полей и месторождений. В связи с этим в настоящем издании отведено значительное место описанию ряда как известных, так и новых методик структурных исследований, которые в соответствии с учебной программой рассматриваются в первой части данного курса. В приложениях приведены основные задачи и вопросы, рассматриваемые в ходе практических занятий со студентами. В качестве дополнительного материала приводятся результаты теоретического анализа и экспериментальных данных по изучению физико-механических и других петрофизических свойств пород. Это необходимо для проведения самостоятельных исследований магистрантами и аспирантами кафедры. В заключительной части приведены примеры использования структурнопетрофизического анализа в изучении различных типов рудных месторождений, в решении задач, связанных с безопасностью захоронения радиоактивных отходов и в работах по оценке качества минерального сырья. 3 ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ СТРУКТУРНЫХ И ПЕТРОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ Со времен древнего мира вопросы геологического строения и развития Земли, поисков полезных ископаемых и определения физических свойств минералов, пород и руд являются предметом научных исследований. Аристотель, Страбон, Витрувий и другие выдающиеся ученые античной эпохи указывали на геологические признаки существования древних морей на территории современной суши и возникновения новых ее фрагментов (перемещение береговых линий, находки остатков морской фауны в осадочных отложениях в горах, возникновение новых островов). Выделялись ювенильные (вулканические) и метеорные источники воды. В своем труде «О природе вещей» Лукреций Кар (99-55 гг. до н.э.) высказал предположение, что многообразие вещей материального мира определяется типами и сочетаниями составляющих их элементарных частиц (атомов) различной формы, которые имеют различную силу сцепления между собой. Экспериментальное и теоретическое обоснование зависимости физических свойств веществ от строения атомов было получено уже в современную эпоху (рис. 1). Стереографическая проекция предложена Гиппархом (II в. до н.э.), а главные ее свойства открыты Птолемеем (II в. н.э.). Достаточно точное определение радиуса Земли впервые сделано Эратосфеном (по изменению длины полуденной тени на разных широтах). Ученые ряда стран древнего мира (Китай, Индия, Греция) разработали первые классификации минералов с определением Рис.1. Схема связи физических свойств веществ ряда их физических свойств и описанием с атомным строением химических элементов. месторождений. В древнем Китае были изобретены компас (III в. до н.э.) и сейсмограф (132 г. н.э.). Выдающийся среднеазиатские ученые средневековья Аль-Бируни и Ибн-Сина произвели определение удельного веса многих минералов, отмечали закономерную связь между составом жидких включений в минералах и растворов или расплавов, из которых они кристаллизовались; выделили две основных группы процессов образования пород (осадочных и магматических), а также процессы последовательного отложения осадков в морях, их уплотнения со временем, последующего подъема, связанного с горообразованием, а затем эрозии. В эпоху Возрождения в Европе эти взгляды получают развитие в работах Леонардо да Винчи, Н. Стено, Г. Агриколы и других ученых. Агрикола впервые произвел структурную классификацию рудных месторождений, выделив рудные жилы, штоки, линзы, пласты. Он также указал на два основных источника рудного вещества – экзогенный и эндогенный. Датский ученый Н. Стено составил первое научное геологическое описание провинции Тосканы в Италии. Им выделено несколько этапов тектонического развития этой территории: отложение осадков в море, поднятие и осушение; возникновение наклонного залегания пластов; формирование прогибов, погружение и несогласное перекрывание этих толщ новыми отложениями; повторное поднятие, образование гор и последующий их размыв. Эти ученым был также сформулирован закон о постоянстве углов между гранями кристаллов. Появление первых систематических научных представлений о строении земной коры и ее минеральных ресурсах было связано с потребностями горнодобывающей промышленности, становление которой происходило главным образом в XVIII веке. С этого момента историю развития структурных и рудно-структурных исследований можно 4 разделить на три этапа, существенно различных по уровню теоретических представлений и технических средств исследований: этап ранних структурных представлений, этап механического анализа и этап современных тектонодинамических концепций. Первый этап охватывает период с XVIII до начала XX века. Начало этого этапа ознаменовалось возникновением двух ведущих геологических концепций (школ) нептунизма и плутонизма, что стимулировалось возникновением первых представлений о рудоносных структурах, главным типом которых в это время были жилы — основные объекты разработки с древнейших времен. Нептунисты связывали образование жил, как и горных пород в целом, с осадочными процессами в морских или континентальных условиях, а плутонисты считали, что они формировались пирогенными растворами и газовыми эманациями глубинного магматического происхождения. Основоположником нептунизма является немецкий ученый П. Вернер, выделивший осадочные формации. Вулканические процессы он связывал с “горением угля и серы” на глубине. Главным представителем плутонистов был английский исследователь Дж. Геттон, издавший основополагающий труд “Теория Земли“ (1788 г.). Плутонисты, как и сторонники более поздней гипотезы контракции, основывались на гипотезе Канта - Лапласа о происхождении Земли (как и Солнечной системы в целом) из скопления раскаленного газопылевого космического вещества. До настоящего времени при решении вопросов генезиса различных месторождений эти концепции находят своих убежденных и непримиримых сторонников. Первой геотектонической гипотезой развития Земли стала представленная в этой работе гипотеза поднятия, согласно которой первичные структурообразующие силы в земной коре действовали вертикально. Сторонником этой гипотезы в России М.В. Ломоносовым создаются фундаментальные научные труды "Слово о рождении металлов от трясения земли" (1757г.) и “О слоях земных “, где была высказана гипотеза об образовании при "трясении земли" складчатых сооружений. В это понятие М.В. Ломоносов объединил вековые колебания суши, землетрясения и тектонические явления, ведущая роль в которых отводилась вертикальным движениям земной коры (подъем материков). В своих работах М.В. Ломоносов основывался на положении о единстве и взаимосвязи геологических явлений, необходимости сочетания в их анализе принципов актуализма и историзма, познания общих закономерностей по частным наблюдениям (от частного к общему). Основываясь на космогонической гипотезы происхождения Земли Р. Декарта, он разрабатывал гипотезу о ведущей роли гравитационной дифференциации при формировании оболочек Земли из расплава с последующим формированием гидросферы. Им также произведена достоверная оценка мощности земной коры (32-74 км) по очагам извержений; выдвинута гипотеза органического происхождения почв, торфа, нефти, янтаря и метаморфогенного (из торфа) – угля; выделены минеральные парагенезисы и произведена их систематизация; осуществлены первые эксперименты по синтезу минералов; создана корпускулярная теория строения вещества и на этих принципах обоснован закон Н. Стено о постоянстве углов между гранями кристаллов; создан первый гравиметр. В то же время, его определение абсолютного возраста Земли (около 350 тыс. лет) было основанно на ошибочном предположении о его близости ко времени накопления соленосных отложений и о формировании их за счет сноса с континентов и засоления морских вод. На смену гипотезе поднятия пришла гипотеза контракции, впервые высказанная Эли де Бомоном (1852 г.) и развитая позже Э. Зюссом ("Происхождение Альп", 1875 г.). Она объясняла возникновение складчатости, как результат сокращения размеров Земли по мере постепенного остывания ее недр. Однако уже в XX веке стороннниками неоконтрационной гипотезы были получены новые аргументы в обоснование этой концепции. Отмечалось, что влияние приливных эффектов на замедление вращения Земли меньше расчетного, что связывалось с уменьшением земного радиуса за счет контракции. Указывалось, что только 5% поверхности Земли ( в рифтах) находятся в зоне действия растягивающих напряжений (академик П. Н. Кропоткин), а в остальных ее 5 частях фиксируются сжимающие напряжения. Использовались и данные академика В. Е. Хаина и других исследователей о том, что амплитуды прогибания геосинклинальных трогов в целом больше по размаху, чем последующие поднятия. Одновременно с контракционной гипотезой сформировалось учение о геосинклиналях (Дж. Холл, 1859 г.; Дж. Дэна, 1873 г.; Г. Ог, 1890 г. и др.). Они рассматривались как протяженные мобильные пояса земной коры с повышенной мощностью осадков, возникших на раннем этапе интенсивного прогибания. Интенсивная складчатость, магматизм и горообразование относились в целом к позднему этапу их развития. С появлением первых геотектонических концепций набор известных рудоносных структур значительно расширился. Были выделены складчатые и разрывные структуры и рассмотрен механизм их образования. При этом плутонистами (Бух, Гумбольд, Эли де Бомон) этот процесс связывался с общим сжатием и хрупкими деформациями коры в ходе контракции. Во впадинах между поднятиями, возникавших над магматическими очагами и плутонами, происходило складкообразование. Известный исследователь Ж. Кювье явился основоположником теории катастроф в естествознании. Он указывал, что свидетельством их возникновения в геологической истории Земли являются границы ярусов, систем, групп, которые отражают резкую смену условий жизни в целом в результате отдельных всплесков интенсивности тектонических процессов и магматизма. Последователи альтернативного направления - униформизма были преимущественно сторонниками постепенного и по существу механистического характера развития геологических процессов и в основном относились к нептунистам. Основоположником этого направления являлся английский исследователь Ч. Лайель, продолживший разработку основ стратиграфии (Основы геологии, 1830 г.) вслед за выдающимися исследователями в этой области, как П. Вернер В. Смит. Униформизм в противовес катастрофизму, базировался на наблюдаемых явлениях единообразия и непрерывности геологических процессов, возникновения крупных изменений за счет суммирования мелких, идентичности древних и современных процессов (принцип актуализма). Расширение гравиметрических исследований в мире позволило выделить аномалии силы тяжести, связанные с региональными и трансконтинентальными геологическими структурами. Это определило появление 1855 г. концепции изостазии, выдвинутой английскими учеными Д. Эри и Д. Пратт. Общим положением являлось признание того, что равновесие земной коры, покоящейся на мантии, определяется равновесием – равенством веса коры и выталкивающей силы от мантии. Но согласно гипотезе Эри поднятия земной поверхности происходят там, где толщина континентальной коры увеличивается (горно-складчатые пояса). Согласно гипотезе Пратта толщина коры везде одинакова, а плотность ее различна. Поэтому вес ее меняется, что и объясняет возникновение прогибов или поднятий. К середине XX века по данным сейсмического зондирования было установлено, что в зависимости от типа структур каждый из этих факторов может определять высоту рельефа в процессе изостатического выравнивания. Еще с начала XIX века в России и Европе составляются геологические карты с разрезами, а к 1840 г. русским геологом Д.И. Соколовым создаются геохронологические таблицы. Создаются первые тектонические карты. В конце XIX столетия А.П. Карпинским разрабатывается палеогеографический метод, который им используется для исследования геологии платформ. Выявляются области с интенсивными эпейрогеническими движениями, прилегающие к складчатым поясам; выделяются валы, мульды, флексуры, синеклизы. Для территории Европы были установлены эпохи складчатости. Изучение шарьяжей Люжоном в Альпах показало несостоятельность контракционной гипотезы в объяснении столь масштабных горизонтальных движений и сокращения первоначальной ширины поясов в процессе складчатости и орогенеза. Позднее сначала американским геологом Тейлором (1910 г.), а затем немецким 6 геофизиком А. Вегенером (1912 г.) была выдвинута гипотеза о дрейфе континентов на подкоровом субстрате, послужившей основой для развития в дальнейшем новой глобальной тектоники плит. Оба исходили из возможности дрейфа за счет сил Кориолиса, но Вегенер указал на возможность передвижения континентов с разной скоростью, что позволило ему объяснить образование океанических впадин, а позже и наблюдаемое различие палеомагнитных палеозойских ориентировок в 300 для Америки и Африки. Впоследствии англичанин Холмс (1929 г.) дополнил эту гипотезу предположением о существовании подкоровых течений и конвекции в мантии со скоростью до нескольких сантиметров в год. Это связывалось с разными температурами прогрева под океанами и континентами вследствие различной теплопроводностью коры. Второй этап (механического анализа) продолжался с 20-х до 70-х годов XX столетия и характеризовался созданием первых общепризнанных методик специальных структурных исследований и первых научных классификаций рудоносных структур. В большинстве теоретических разработок этого времени для объяснения механизмов формирования геологических структур привлекались законы механики. Этот период ознаменовался выдающимися экспериментами Ф. Адамса (1917), Л. Неттлетона (1934), Д. Григса (1936), посвященными исследованию деформаций пород при различных условиях нагружения. Наиболее значительными были работы Г. Клооса (1930), в которых изложены результаты моделирования тектонических разрывов и целых складчатых горных систем, описаны закономерности развития и дана классификация трещин в интрузивных массивах. Начиная с 20-30-х годов XX века в геотектонике, которая всегда была тесно связана со структурной геологией, существовало несколько гипотез. Г. Штилле (1924) продолжал разрабатывать концепцию тектогенеза, основанную на горизонтальных силах, а также выделил основные геотектонические эпохи. В. Бухер (1933) предложил пульсационную гипотезу, согласно которой в развитии Земли происходит чередование эпох растяжения и сжатия. С первыми связывалось формирование геосинклиналей, а со вторыми — складчатости и поднятий. Большая группа ученых (О. Ампферер, Э. Хаарман, Б. Виллис и др.) разрабатывали гипотезу вертикальных движений и связанных с ними горизонтальных перемещений и складкообразования (в результате обдукции – процесса затягивания отложений в глубинные троговые зоны). Главная роль в формировании основных структур Земли ими отводилась первичным вертикальным силам, а все горизонтальные считались вторичными, производными от первых. Эта концепция фиксизм представляла собой новый этап развития ранних гипотез поднятия и контракции. Появляется гипотеза ундаций Ван Беммелена (1933 г.) и радиомиграционная гипотеза В.В. Белоусова (1943 г.), предполагающие вертикальное перемещение подкорового вещества либо за счет гравитационной дифференциации, либо в результате радиогенного разогрева. Разогрев верхней мантии приводил к утяжелению и погружению гранитной оболочки в результате ее базификации. Методика структурных исследований развивалась в связи с разработкой новых или внедрением уже апробированных в других областях науки методов. Помимо общегеологических методик, таких как абсолютная и относительная геохронология, стратиграфия, анализ фаций и мощностей и другие, особенности структурных форм и способы их образования определялись возникшими в этот период двумя комплексами методов: трещинной и складчатой тектоники и микроструктурным анализом. Основной вклад в разработку теоретических основ этого направления внесли Г. Беккер, Ч. Лизе, Б. и Р. Уиллисы, Э. Клоос, В. Шмидт, А.В. Пэк, М.А, Усов, Ф.И. Вольфсон, Н.А. Елисеев, Л.И. Лукин, И.П. Кушнарев, В.Ф. Чернышев и другие ученые. Начиная с 20-30-х годах XX века, анализ разрывных нарушений стал проводиться на всесторонне разработанной методической основе, которая включает теоретическое обоснование механизма деформации разрушения твердых тел, графические приемы обработки материалов и интерпретационные модели обобщенных результатов полевых наблюдений. Именно в это 7 время практически сформулированы основные положения механического анализа. Графически изобразить разрывы и элементы залегания складок впервые предложил Дж. Филлипс при помощи роз-диаграмм и почти столетие спустя в форме круговых диаграмм - Г. Клоос и А. Полканов. Еще в 90-е годы XIX века А.Е. Федоровым было сконструировано приспособление (четырехосный столик) для измерения ориентировки кристаллографических и кристаллооптических направлений в минералах. В 1911 г. в работах австрийского геолога Б. Зандера, явившихся основополагающими для новой микроструктурной методики, было высказано положение, что во время деформации в породах происходит дифференциальное движение составляющих ее частей и что деформация породы и ее текстура — результат интегрирования этих перемещений. Породы с признаками таких движений Зандер назвал тектонитами. Начиная с 1917 г. В. Шмидт проводил измерения ориентировки каждого зерна в отдельности, собирая данные для статистической оценки. Он определял в кварце угол между направлением оптической оси и сланцеватостью. В 1925 г. Шмидт описал усовершенствованный метод с применением федоровского столика для построения математически точных диаграмм ориентировки на основе перспективной проекции Ламберта сферы на плоскость. Для интерпретации получаемых на диаграммах тектонических узоров были использованы теоретические положения Г. Беккера, в которых доказывалось, что деформация происходит при скольжении вещества вдоль плоскостей, которые располагаются под углом 45° к оси нагрузки. Концепция Зандера существенно дополняет гипотезу Беккера, т.к. она основана на на принципе локализации дифференциального движения вдоль поверхностей минимального молекулярного сцепления в породах. Ими могут быть осадочное напластование, флюидальность, разлистование, кливаж и т. д. Эллипсоид деформации Беккера, теория дифференциальных движений составных частей пород при деформации Зандера и статистический графический метод с применением столика Федорова и стереографических сеток В. Шмидта и Г. Вульфа — три составных части, положенных в основу механического анализа. Именно эти теоретические разработки определяли развитие структурных исследований в мире с начала XX века вплоть до 70-х годов. В этот период получает распространение современные теории прочности и пластичности (теория предельных нормальных растягивающих и максимальных касательных напряжений Кулона-Мора, теория пластичности Генки-Мизеса и др.). Параллельно с развитием работ в области механики деформирования и разрушения твердых тел и особенностей механизмов тектонических деформаций начиная с 50-х годов широкий размах приобретает описательная структурная геология рудных объектов различного ранга - от отдельных месторождений и рудных полей до районов и провинций. Описательный морфологический анализ фактически был основным видом структурных исследований на месторождениях различного генетического типа. Наиболее активно изучались структуры гидротермальных месторождений. Среди них выделены: жилы, штокверковые и вкрапленные тела неправильной формы, согласные залежи, трубы и тела типа "манто". Кульминационным моментом в разработке классификации структур рудных полей и месторождений этого периода явились работы В.М. Крейтера. В них впервые отделено рудно-структурное направление от структурной геологии и сформулированы основные положения, намечена иерархия рудоносных структур. Обобщив труды советских геологов и сводные работы В. Ньюхауза, Т. Ловеринга, Б. Батлера и других американских и канадских исследователей, В.М. Крейтер изучил влияние структур на размещение, локализацию и форму месторождений на четырех масштабных уровнях: 1) размещение металлогенических провинций в пределах складчатых поясов или платформ; 2) размещение рудных районов и полей в металлогенических провинциях; 3) локализацию 8 рудных месторождений в рудных полях; 4) локализацию рудных тел в месторождениях и столбов в рудных телах. Крейтер указал на дискретный характер распределения оруденения в земной коре. Минерализованные участки земной коры различного масштаба представляют собой рудоносные блоки, разделенные во много раз их превосходящими безрудными пространствами. В результате на разных масштабных уровнях исследований можно выделить рудные районы, узлы, поля, месторождения. Все они связаны с геологическими структурами соответствующих рангов. С региональными структурами (антиклинории, синклинории, зоны региональных разломов) связывались рудные районы. Промежуточной по масштабу категорией рудного объекта он считал рудное поле. В соответствии с типизацией полей, разработанной В.М. Крейтером, были выделены четыре основных типа рудных полей: складчатый, перемещения, трещинный и комбинированный. Важно отметить, что при анализе структур различного масштаба традиционно выделяются три возрастные генерации структур: дорудные, внутрирудные и пострудные. Крейтер утверждал, что для эндогенных месторождений главнейшую роль играют дорудные структуры; внутрирудные деформации имеют обычно ничтожный масштаб движений. Наконец, послерудные деформации чаще всего незначительны по масштабу проявлений и относительно редко разобщают отдельные части рудного тела с большой амплитудой перемещения. В начале XX столетия возникло новое направление геологических исследований петрофизика, предметом изучения которой стали физические свойства горных пород, полезных ископаемых и минералов. Это было связано с бурным развитием поисковой и разведочной геофизики. Расшифровка геофизических аномалий требовала знания физических свойств вмещающих пород и руд. Кроме этого, эксперименты по деформированию пород, решение вопросов горной механики также были не возможны без изучения физико-механических свойств пород. Изучение упругих характеристик пород при высоких давлениях и температурах требовалось при интерпретации данных сейсмических исследований Земли. В это период по распространению продольных волн Мохоровичич установил границу между корой и верхней мантией, а по распространению поперечных волн Гутенберг доказал существование жидкого внешнего и твердого внутреннего ядра Земли. К середине 20-го столетия петрофизика превратилась в самостоятельную комплексную систему знаний. Решение вопросов связи состава и структуры пород и минералов с их физическими свойствами позволило получить важный инструмент для оценки условий формирования пород и руд, термодинамических параметров развития деформаций в земных глубинах. Большое значение для развития петрофизических исследований имели вопросы сейсмологии и прогноза землетрясений, разведочной геофизики, оценки качества стройматериалов, инженерно-геологических исследований, решения проблем глубокого бурения, нефтегазодобычи. К 60-70-м годам XX века сформировалось несколько самостоятельных направлений петрофизических исследований: петрофизика горных пород и полезных ископаемых (изучение физико-механических, магнитных, электрических, тепловых, ядерно-физических свойств минералов. пород и руд), планетарная и региональная петрофизика (петрофизика земной коры и мантии, дна океанов, древних щитов, различных структур и отдельных районов континентов), рудная петрофизика (месторождений негорючих твердых полезных ископаемых), петрофизика нефтегазоносных и угольных бассейнов и месторождений, техника и методика измерений и обработки петрофизических данных. Большой вклад в развитие этих направлений и создание специализированных петрофизических лабораторий внесло немалое число известных отечественных и зарубежных специалистов-геофизиков, геологов и физиков, в т.ч.: Г.А. Гамбурцев, И.И. Гурвич, В.Н. Дахнов, В.Н.Кобранова, Г. Джеффрис, К. Шлюмберже, Ф. Берч, Н.Б. Дортман, И.Ф. Зотова (определение физических 9 свойств пород, региональная петрофизика), Л.Я. Ерофеев, Л.И. Звягинцев, А.А. Смелов (рудная петрофизика), А.Л. Алейников, А.К. Курскеев, М.Ш. Магид (петрофизика земной коры), В.В. Верба, В.В. Орленок (петрофизика дна океанов), К.А. Александров, Б.П. Беликов, Г.Т. Продайвода (изучение упругих констант и анизотропии пород и минералов), М.П. Воларович, Э.И. Пархоменко, Е.А. Любимова (изучение свойств пород при высоких давлениях и температурах), А.Н. Ставрогин, В.В. Ржевский, Ю.М. Карташов и др. (петрофизика и геомеханика) и многие другие. К достижениям этого этапа можно отнести следующее: 1) разработка ряда современных методов структурного анализа; 2) применение принципа историзма при анализе конкретных структур; 3) создание первых упрощенных моделей формирования месторождений, 4) развитие петрофизического направления в геологических исследованиях, 5) создание основ металлогенического анализа и использование в качестве важных поисковых предпосылок тектонических структур разных рангов. Недостатки предложенных классификаций и генетических интерпретаций состояли в их упрощенности и схематичности: 1) в большинстве работ считалось, что основная масса руды отлагалась в одну две близкие по времени и пространственно неразобщенные стадии, а серия предшествующих и последующих стадий не несла существенной рудной нагрузки, а только способствовала развитию ореолов вторично измененных пород; 2) породы рассматривались как пассивная в отношении рудообразующих процессов среда – либо как экранирующая, либо как рудовмещающая; 3) ограниченность и схематичность структурного анализа, основанного на самых общих законах механики. В начале 1950-х годов Г.И. Гуревич критически рассмотрел теорию Г. Беккера и выделил ряд ее слабых сторон: 1) отождествление геометрических позиций точек в деформируемом теле для малых упругих (описываемых законом Гука) и больших (пластических) деформаций, хотя физическая природа этих явлений коренным образом отличается и величины упругой деформации и связанных с нею напряжений не зависят от величины развившейся к данному моменту времени пластической составляющей общей деформации; 2) горные породы рассматриваются как однородный и изотропный упругий материал; 3) не учитываются факторы, влияющие на величину остаточной деформации и изменения прочностных параметров (флюидонасыщенность пород, время деформирования, давление, температура). В то же время академиком Н.Ю. Работновым и М.В. Гзовским была показана принципиальная возможность, использования обобщенного закона Гука и эллипсоида деформаций Беккера для анализа больших пластических деформаций. В определенной степени это подтверждается и методами стрейн-анализа. Причин кризисного состояния теоретических основ геолого-структурных исследований в этот период было несколько. Основная из них - это отсутствие альтернативной гипотезы, описывавшей деформационные процессы. Весь фактический материал, полученный при разведке и эксплуатации месторождений и при проведении инженерно-геологических работ, нуждался в анализе с позиции фундаментальных наук, какими для структурной геологии являлись, прежде всего, современная теория упругости и пластичности, физическая химия. Следующий этап в развитии структурного направления, начавшийся в 80-х годах, этап современных тектонодинамических концепций связан с широким внедрением достижений фундаментальных естественных наук в геологию, а также расширением круга рудоносных структур. Возникла необходимость их анализа с позиций механики взрыва, гидроразрыва, кинетической теории прочности, физико-химической механики. Основополагающими работами, определившими дальнейший прогресс в структурной геологии, были труды М.В. Гзовского (тектонофизический анализ), Е.И. Паталахи (тектонофациальный анализ), П.Н. Николаева (тектонодинамический анализ, 10 неотектоника), Б.П. Беликова, О.Б. Гинтова и В.М. Исая, Л.И. Звягинцева, С.С. Стоянова, В.Д. Парфенова, Ю.А. Розанова, В.И. Старостина (тектонофизический и структурнопетрофизический анализ) и др. В них были усовершенствованы теоретические основы структурообразующих процессов и механизмов деформации, разработаны новые методы исследований. М.В. Гзовский применил положения теорий упругости, пластичности и сопротивления материалов, механики горных пород в структурной геологии, геотектонике и сейсмологии, создав новое направление в науках о Земле — тектонофизику, науку об физических условиях и механизмах формирования геологических структур. Основополагающим здесь является характеристика различных типов полей тектонических напряжений и связанных с ними деформаций, изучение с этих позиций зон повышенной сейсмоактивности, геологических структур разного ранга. М.В. Гзовский стал основоположником почти всех представлений, реализуемых в настоящее время в структурной геологии и геотектонике. Он уделял большое внимание изучению физикомеханических свойств горных пород и приемам моделирования тектонических процессов, считая их физическими основами тектонофизики. В настоящее время в области исследования геологических структур различных масштабов выделились следующие направления: собственно тектонофизическое, структурно-петрофизическое, структурно-динамическое и физико-химическая механика. В последние годы возрождается гипотеза «горячего» происхождения Земли (в противовес «холодной» гипотезе О. Ю. Шмидта, выдвинутой им в 1954г.). В.Н. Ларин в своих последних публикациях (2005) показал, что эволюция ионизированной плазмы после взрыва сверхновой приводит к ее быстрому гравитационному сжатию и разогреву. При этом резко возрастает скорость ее вращения за счет уменьшения момента инерции при сжатии и генерируется собственное магнитное поле, выбрасывающее значительную часть вещества на периферию, из которой возникают планеты. Распределение элементов в Солнечной системе соответствует их потенциалам ионизации, что подтверждается закономерным изменением состава планет. На современном этапе произошло превращение мобилистской гипотезы тектоники литосферных плит в ведущую геотектоническую концепцию, основанную на данных широких геофизических исследований в океанах и результатах глубоководного бурения, палеомагнитных и дистанционных методов, исследования очагов глубокофокусных землетрясений в зонах Беньоффа, выявления полосовых магнитных аномалии дна океанов, измерений скоростей спрединга в глобальной системе океанических рифтов. Претерпевает существенные изменения и традиционная фиксистская концепция В.В. Белоусова. Это выражается в том, что концепция разуплотнения подкорового субстрата в мобильных поясах трансформируется в гипотезу адвекции (ограниченной конвекции). Она получает развитие на базе физического и математического моделирования (М.А. Гончаров, 1995, 1997). Принципиально новой основой для развития геодинамического и структурного анализа послужили обобщающие исследования по региональной тектонике континентов академика В.Е. Хаина, основных типов и эволюции рифтогенных структур академика Е.Е. Милановского. В тектонофизических исследованиях новым этапом стало создание П.Н. Николаевым тектонодинамического анализа (1992) – анализа разноранговых полей напряжений и деформаций на основе изучения неотектоники, геоморфологии и анализа сейсмических данных структур различного масштаба и типа (рифтовых, орогенных, очаговых кольцевых). Показана дискретность и явление наложения (интерференции) полей разного уровня, связанных с генетически различными источниками и структурами. В рассматриваемый период был получен обширный геофизический материал по наблюдению за развитием глубинных энергетических процессов, фиксируемые в мантии и даже на границе внешнего ядра Земли, которые коррелируют с активизацией «горячих точек» и инверсиями магнитного поля. В результате с конца 60-х годов исследователями Д. Вилсоном и В. Морганом разрабатывается новая альтернативная геотектоническая 11 гипотеза – тектоника плюмов. Плюм (франц. «перо»), который называется также мантийным диапиром или астенолитом, представляется как обширная область внедрения разогретого мантийного субстрата пониженной вязкости из астеносферы в земную кору и фиксируется по данным сейсмической томографии как зоны пониженной плотности и вязкости в мантии, а по данным магнитотеллурического зондирования – как локальные области высокой проводимости. Процессы образования плюмов фиксировались глубинными сейсмическими измерениями на «горячей точке» Гавайских островов в Тихом океане. Формирование плюмов сопровождаются привносом флюидных компонентов и энергии, внедрением ультраосновных и основных пород и активизацией тектонических процессов, поднятиями и вулканизмом. Академиками Н.Л. Добрецовым, Ф.А. Летниковым, а также В.Н. Лариным (1981, 1994, 1999, 2005) обоснована ведущая роль водородных флюидов в зарождении плюмов. Взаимодействие атомов водорода с оксидом железа предполагается на границе «ядро-мантия» с осаждением металлического железа в ядре и отделением более легких и легкоплавких силикатных фракций и образованием воды. Чл.-корр. РАН О.Г. Сорохтиным обосновывается альтернативная гипотеза о том, что источником воды является гидроксильная группа, имевшаяся еще в протопланетном веществе. Новые подходы в интерпретации сейсмических границ в мантии на основе современных данных по превращениям кристаллической структуры ряда минералов при сверхвысоких давлениях и температурах реализованы в исследованиях академиков Ю.М. Пущаровского и Д.Ю. Пущаровского (2007). На основе физического анализа тектонических процессов в областях развития мантийных плюмов Е.В. Артюшковым (1993) был сделан вывод о закономерном сочетании явления спрединга и вертикальных перемещений в зонах континентального рифтогенеза. Тектонические и петролого-геохимические факторы эволюции щелочного магматизма, позиции и взаимосвязи карбонатитовых и кимберлитовых формаций в ходе рифтогенной активизации древних платформ всесторонне обоснованы в работах академика Л.Н. Когарко и А.А. Фролова с соавторами (1999, 2000, 2003, 2005). Понятие структурного парагенезиса в современных структурных исследованиях приобрело особое значение. В.В. Белоусов выделил механические (локальные), региональные и исторические их типы. Выделение структурных, исторических и региональных парагенезисов для рудных объектов разных рангов (от месторождений до районов и провинций) позволяет сопоставлять тектонодинамические обстановки их формирования и условия локализации оруденения. Это служит основой для прогнознометаллогенических исследований, структурно-петрофизического анализа рудных полей и месторождений. Среди механических парагенезисов С.С. Стояновым, О.Б. Гинтовым, В.М. Исаем был детально охарактеризован широко распространенный складчаторазрывной парагенезис сдвиговых зон, который включает закономерно ориентированные трещины скалывания и отрыва, складки волочения. В более широком плане С.С. Стояновым и И.Н. Томсоном рассмотрен парагенезис зон скрытых сдвигов фундамента, определяющий позицию и структуру многих штокверковых и жильных рудных полей и месторождений. Новый импульс в своем развитии получает и микроструктурный анализ. Благодаря работам А.Н. Казакова (1987) возникает динамический микроструктурный анализ, позволяющий восстанавливать поля напряжений по ориентировке двойников скольжения и оптических осей карбонатов и ряда силикатов в породах. Благодаря исследованиям Ф. Тернера, Н. Картера, А.Л. Дергачева в практику структурных исследований рудных полей и месторождений вошел метод анализа ориентировок деформационных ламеллей кварца – пластических микродеформаций зерен этого минерала в тектонитах. В 1970 г. профессором МГУ им. М.В. Ломоносова В.И. Старостиным начата разработка структурно-петрофизического направления в рудно-геологических исследованиях, основанная на теоретически установленной и экспериментально 12 проверенной взаимосвязи физико- механических свойств и структуры твердых тел. В 1974г на кафедре полезных ископаемых была создана рудно-петрофизическая лаборатория, что послужило основой для массового проведения структурнопетрофизических исследований на месторождениях различных типов. Был получен обширный фактический материал, который лег в основу ряда опубликованных В.И. Старостиным с соавторами монографий и учебников для этого курса, который стал читаться на кафедре: "Структурно-петрофизический анализ эндогенных рудных полей" (1979); «Геодинамика и петрофизика рудных полей и месторождений» (1984), «Палеотектонические режимы и механизмы формирования структур рудных месторождений» (1988); "Структурно-петрофизический анализ месторождений полезных ископаемых" (1994), который также был издан в Югославии. В заключение следует отметить основные отличительные черты современного периода структурных исследований: 1. Значительно расширилась теоретическая база и набор методов структурных исследований. Для интерпретации рудных и тектонических процессов используются современные теории механики сплошной среды, физико-химической механики, кинетической теории прочности твердых тел, гидравлики, гидродинамики и др. Развитие получили новые методы физического и математического моделирования, основанные на теории подобия. В практику геологических работ входят палеофациальный, морфоструктурный анализ, дистанционные методы. 2. Существенно увеличился список структурных и генетических типов рудных полей и месторождений. Морфологическая классификация В.М. Крейтера дополнена элементами интрузивной и вулканической тектоники. Сюда относятся месторождения в расслоенных, кольцевых многофазных интрузиях, трубках взрыва, вулканогенноэксгаляционно-осадочные, континентальные – эрозионные, карстовые, русловые и дельтовые, морские – баровые. рифовые, оползневые, лагунные и др.; рудоносные гидравлические структуры – брекчиевые зоны, гидравлические купола (Г.Ф. Яковлев, 1982; В.А. Невский, А.А. Фролов, 1985; В.И. Старостин, 1988 и др.). Существенно расширился класс порфировых месторождений. Помимо молибден- и медно-порфировых в настоящее время выделяются урано-порфировые, свинцово-порфировые, оловопорфировые и др. (А.И.Кривцов, П.Д. Яковлев, 1990; С.М. Родионов, 2004 и др.). Расширение типов месторождений в значительной степени стало определяться внедрением новых технологий переработки руд, возможностью рентабельной отработки бедных, но крупных по запасам месторождений. 3. Пересмотрена роль внутри- и пострудных процессов. Процесс образования многих, особенно крупных и уникальных рудных объектов стал рассматриваться с позиций полигенности и полихронности формирования месторождений. Это положение в современном его понимании впервые было сформулировано В.И. Смирновым применительно к условиям образования месторождений колчеданного семейства. Новые методы структурных и других видов исследований (изотопных, минералогогеохимических, термобарогеохимических) показали, что рудные тела и вмещающие их структуры могут возникать на разных этапах тектоно-магматического развития данного района; испытывать значительные по масштабам процессы ремобилизации и переотложения минерального вещества в новые тектоно-метаморфогенные структуры. 4. Произошло формирование новых взглядов на региональные закономерности размещения геологических структур и их роль в рудном процессе. Выделение геодинамических обстановок срединно-океанических хребтов, рифтовых структур океанов и континентов, зон Беньофа, глобальных линеаментов, подвижных поясов, активных и пассивных континентальных окраин и ряд других типов. 5. Расширился набор альтернативных концепций и гипотез, используемых в минерагеническом анализе (осадочно-вулканогенная, метаморфогенная, гидротермальнометасоматическая теории рудообразования; неомобилизм и тектоника плюмов и др.), отражающих различные стороны сложных геологических процессов формирования 13 рудоносных структур различных масштабов (от провинций до отдельных месторождений и рудных тел). 6. Структурный анализ стал проводиться на основе выделения и изучения структурных парагенезисов различных типов и рангов. Возрастающая потребность в структурно-петрофизических исследованиях на современном этапе определяется вопросами прогноза и структурных исследований месторождений новых типов, резким сокращением запасов неглубоко залегающих рудных тел, совершенствованием геофизических методов поисков, проблемами захоронения радиоактивных отходов. В связи с этим происходит расширение теоретической и экспериментальной базы рудно-петрофизического анализа в целом на основе информации по все более широкому набору физических свойств пород и методов их измерения. Основные направления и задачи структурно-петрофизических исследований Основные направления структурно-петрофизического анализа связаны с изучением структурных, петрофизических, тектонофизических и термодинамических особенностей локализации эндогенного оруденения и совершенствованием критериев и методов его поисков и оценки. Они включают следующие виды исследований: 1) определение типов упругой анизотропии вмещающих пород и руд и ориентировок осей палеотектонических напряжений для оценки тектонофизических условий формирования структур рудных полей и месторождений на последовательных этапах их геологической истории; 2) выявление петрофизических сред структурообразования и петрофизических барьеров рудоотложения, прогнозирование структурно-морфологических типов оруденения; 3) выделение и картирование петрофизических групп, комплексов и рядов и оценка тектонодинамических и термодинамических условий образования и преобразования руд и вмещающих пород; 4) разработка критериев и методов выявления и оценки рудно-петрофизических аномалий при проведении поисковых и разведочных работ. В последние годы получили развитие новые перспективные направления структурно-петрофизических исследований: 5) оценка физических параметров качества минерального сырья и критериев оценки обогатимости руд; 6) комплексное исследование экранирующих свойств пород при выборе мест захоронения РАО. Первое направление основано на изучении упругой, в отдельных случаях пьезоэлектрической и других типов анизотропии пород и руд. Как правило, для решения весьма не простого вопроса реконструкции полей напряжений требуется также использование результатов других видов структурных исследований. Прежде всего, это детальное геологическое картирование, статистический анализ трещиноватости и жильно-прожилковых зон, тектонофизический анализ на основе восстановления ориентировки осей палеонапряжений по сопряженным сколам, бороздам скольжения, складкам волочения, оперяющим трещинам разломов, деформированным включениям в породах; изучение и картирование ориентированных структур и текстур пород методами структурно-петрологического и микроструктурного анализа. Толщи осадочных пород, фации магматических пород, зоны метасоматических изменений и тектониты разных типов должны быть охарактеризованы по всей площади изучаемой структуры, и установлены причинные связи между особенностями геологической структуры и физикомеханическими свойствами в каждом из выделяемых на картах и схемах типах образований. 14 Анизотропия пород отражает тип и интенсивность деформаций, элементы симметрии геологической среды, в которой происходило образование или преобразование пород и, прежде всего, тектонических полей напряжений. При изучении современных полей напряжений в массивах исследуется анизотропия их напряженного состояния. При этом из результатов первичных измерений в массиве должны исключаться составляющие других видов анизотропии. Второе направление заключается в изучении и оценке роли физико-механических свойств пород в локализации оруденения. Анализ петрофизических схем и разрезов, составленных по отдельным параметрам и интегральным показателям (петрофизические коэффициенты), позволяет устанавливать наличие рудно-петрофизических барьеров, которые возникают на контактах пород с резко различными физико-механическими свойствами. В сочетании со структурными данными по пространственной ориентировке и строению рудных зон это делает возможным прогнозировать положение рудных столбов. Третье направление основывается на сборе и анализе количественных данных об изменении физико-механических параметров пород в зависимости от степени преобразования, на основе которых восстанавливаются первичные значения этих свойств для неизмененных пород. Сравнение петрофизических характеристик и анизотропии пород и минералов, образовавшихся в различных термодинамических и тектонофизических условиях, позволяет проследить закономерности их изменения, что служит основой для оценки условий формирования месторождений. Все большее значение приобретает экспериментальное изучение эволюции физико-механических свойств в зависимости от физического состояния пород (например, сухих и насыщенных растворами, деформированных или находящихся в условиях высоких давлений и температур). Это позволяет более точно оценивать роль петрофизических сред в процессах формирования месторождений. Большой объем исходной информации по петрофизическим параметрам различных типов пород, получаемой в ходе исследований, требует ее обобщения с выделением петрофизических групп, комплексов и рядов (в зависимости от масштаба изучаемых площадей и рудных объектов). В группы и комплексы объединяют в той или иной степени близкие по свойствам и по условиям образования или преобразования породы. В ряды включаются комплексы пород, претерпевших несколько последовательных стадий преобразования в течение какого-либо этапа геологического развития исследуемой территории. Четвертое направление реализуется в процессе поисковых и поисково-оценочных и разведочных работ и должно сочетаться с другими методами рудно-петрофизического анализа и структурных исследований в целом. Петрофизические аномалии выделяются на основе статистической обработки данных петрофизического картирования рудных полей и месторождений и увязываются с геохимическими ореолами, интенсивность и размеры которых зависят не только от масштабов и эрозионного среза месторождений, но и от особенностей их структуры и свойств вмещающих толщ. Выявленные руднопетрофизические аномалии сравниваются с аномалиями, установленными на изученных рудопроявлениях и месторождениях данного типа в данном районе. Все они могут различаться по интенсивности, масштабам или уровню эрозионного среза. Статистический сравнительный анализ аномалий и построение геолого-петрофизических моделей являются основой для поисков и прогнозной оценки рудных объектов. Качество и полнота определения петрофизических характеристик руд и вмещающих пород также существенно влияют на уровень достоверности получаемых результатов при геофизических исследованиях рудных полей и месторождений. Пятое направление включает комплекс петрофизических исследований для определения ряда технологических характеристик минерального сырья. Например, упруго-прочностных свойств облицовочного камня (оценка упруго-прочностной анизотропии, монолитности); степени однородности строения пьезокварцевого сырья, влияющей на качество получаемых кристаллов пьезокварца; упруго-прочностных свойств 15 кимберлитов, существенно влияющих на процесс их измельчения при переработке и степень сохранности кристаллов алмазов. Эффективность структурно-петрофизических исследований существенно повышается в случае их проведения: 1) на разных масштабных уровнях (рудное поле – месторождение – рудное тело); 2) в комплексе с другими видами рудно-петрофизических исследований (изучение магнитных, электрических, радиометрических и других параметров); 3) в сочетании с другими методами изучения рудных полей и месторождений (структурными, петрографическими, геохимическими и др.). 16
