Геолого-геофизические модели земной коры и месторождений

3.3. Геолого-геофизические модели земной коры и месторождений.

Картирование. Опорные геолого-геофизичесие профили

Широко известно значение изучения глубинного строения земной коры для прогноза и поисков полезных ископаемых, не выходящих на земную поверхность, Между тем, общепризнанная методика изучения глубинного строения практически отсутствует, Кроме того, отсутствуют основы создания государственной сети опорных геолого-геофизических профилей, с помощью которых изучение глубинного строения ведется с широким применением сейсмических исследований и бурения скважин.

В конце 60-х начале 70-х годов прошлого века так называемое объемное геологическое картирование (ОГК) получило развитие как самостоятельный вид работ по изучению геологического строения на глубину. В 70-х – 90-х гг. был проведен ряд практических работ в разных регионах на территории СССР.

Под объемным геолого-геофизическим картированием (ОГГК) понимался комплекс интерпретационных и специальных полевых геолого-геофизических работ, обеспечивающих в условиях дефицита буровой информации возможность построения объемных геолого-структурных моделей.

В дальнейшем началось развитие методик объемного картирования на территории с определенным типом геологического строения, например, на «линейных складчатых системах Уральского типа».

К 2000 г. были определены основные принципы, цели и задачи объемного картирования, геологические объекты исследования. Проанализировано применение геологических, геохимических, петрофизических, грави- и магнитометрических, сейсмических и электроразведочных методов в рудных районах, компьютерных технологий. Сделанные рекомендации ориентированы на хорошо изученные рудные районы, где применяется или может быть применим указанный широкий круг разносторонних исследований.

Документом, регламентирующим изучение глубинного строения в рамках проекта ГГК 1000/3, стало изданное в 2005 г. «Методическое пособие по изучению глубинного геологического строения складчатых областей для Государственной геологической карты России масштаба 1:1 000 000» (отв. исполнитель А.А. Духовский). В этой работе изложена методика использования геофизических, геологических и геохимических материалов для изучения геологического строения складчатых областей при составлении Госгеолкарты 1000/3. При этом геофизические построения должны сопровождаться геологической интерпретацией с приближением к прямым геологическим наблюдениям и направлены на прогноз новых минерагенических объектов. Проанализирован опыт изучения глубинного строения складчатой области на примере листа M-50 (Восточное Забайкалье). Проиллюстрированы методические и прогнозно-металлогенические возможности предлагаемой методики: по глубинным критериям выявлен ряд новых перспективных рудных узлов. В работе представлены макеты карт глубинного строения масштаба 1:1 000 000, карт районирования гравитационного и магнитного поля, закономерностей размещения рудных месторождений полезных ископаемых относительно региональных и локальных составляющих гравитационного поля.

Предлагаемая последовательность работ по составлению карты глубинного строения масштаба 1:1 000 000, по мнению авторов, состоит из следующих основных этапов:

- Составление базы исходных геологических, геофизических, геохимических и петрофизических данных;

- Районирование гравитационного и магнитного полей;

- Изучение закономерностей размещения месторождений полезных ископаемых относительно региональных и локальных составляющих физических полей;

- Определение геологической природы гравитационных и магнитных аномалий;

- Создание сети интерпретационных (расчетных) профилей;

- Составление по профилям приповерхностных геологических разрезов;

- Количественное разделение исходного гравитационного поля на составляющие разных порядков;

- Построение по расчетным профилям плотностных и геометрических разрезов до глубины 15-20 км;

- Составление глубинных геологических разрезов;

- Составление геологических карт-срезов, карт стратоизогипс, геологических поверхностей, карт закономерностей размещения и прогноза полезных ископаемых.

Вместе с тем в методике подчеркивается, что основой объемных построений являются геологические и гравиметрические данные. Остальные данные (магнитометрические, аэрокосмические, геохимические) слабо задействованы при построении комплексной модели, что не позволяет говорить о полном использовании всех имеющихся ретроспективных материалов.

Основной упор в указанной методике делается на построение глубинных разрезов, однако отсутствует комплексный подход при их построении. В методике недостаточно внимания уделено и вопросам распространения результатов моделирования от опорных геологических разрезов на всю территорию исследования. Не освещены вопросы построения 3D структурного каркаса, как основы всех дальнейших 3D построений.

До конца не исчерпаны возможности обработки данных потенциальных полей, например, в рамках применения методов морфоструктурного анализа, позволяющих оценить взаимоотношения и ориентировку аномалий разной формы и размеров. Такой анализ дает возможность перейти к относительным, а в некоторых случаях и абсолютным, возрастным характеристикам аномалий и связанных с ними геологических объектов.

Также недостаточно внимания уделено вопросам картирования основных структурных поверхностей, в том числе фундамента.

Иной подход к построению моделей земной коры изложен в работе В.И.Галуева, С.А.Каплана, А.А.Никитина «Технология создания физико-геологических моделей земной коры по опорным профилям на основе геоинформационных систем» (М., ВНИИгеосистем, 2009. 236 с.), в которой авторы обобщили опыт многолетних исследований на опорных профилях. В работе последовательно излагаются:

- методология формирования базы геолого-геофизических данных по региональным исследованиям четырех основных методов разведочной геофизики (сейсморазведки МОВ-ОГТ, электроразведки МТЗ, гравиразведки и магниторазведки);

- методики обработки и интерпретации монометодных геофизических данных;

- технология построения моделей земной коры по данным различных геофизических методов;

- построение согласованных комплексных физико-геологических моделей (ФГМ) земной коры с их геологической интерпретацией и проведением регионального минерагенического прогноза на углеводороды и твердые полезные ископаемые.

Построение монометодных и согласованных моделей продемонстрировано на примере реальных профилей на Восточно-Европейской и Сибирской платформах.

Результат моделирования по профилям распространялся по площади на основе данных гравиразведки и магниторазведки.

Предложена схема исследований по изучению глубинного строения земной коры и верхней мантии, которая состоит из следующих этапов:

- формирование информационного обеспечения, включающее создание базы данных и построение априорной физико-геологической модели по ретроспективным картографическим и литературным данным;

- построение монометодных физических моделей по результатам обработки и интерпретации данных отдельных геофизических методов;

- создание согласованной комплексной модели земной коры по физическим свойствам и геометрическим параметрам разных геофизических методов;

- построение геологической модели земной коры, фундамента и осадочного чехла, ориентированной на определенную геологическую концепцию;

- прогноз зон и обстановок по опорным и региональным профилям, благоприятных для скоплений полезных ископаемых.

Сильной стороной предложенной методики следует считать комплексный подход к построению моделей глубинного строения - согласование монометодных моделей и критериальную оценку обобщенной модели. При построении методных моделей по потенциальным полям авторами предложен оптимальный комплекс их обработки.

Опорной информацией для построения объемной модели являются сейсмические данные по региональным профилям, а распространение модели по площади выполняется по данным потенциальных полей. Вместе с тем опорные или региональные профили не всегда проходят через территорию листа масштаба 1:1 000 000, что автоматически должно повышать вес гравиразведки и магниторазведки в построении 3D модели.

В рассмотренной методике, как и в предыдущей, отсутствуют такие этапы построения модели, как, например, создание 3D структурно-тектонического каркаса территории. Районирование исходных полей и построение структурно-тектонических схем на разных структурных этажах не выделяется в отдельный этап (базовый для всех дальнейших построений). При построении модели осадочного чехла недостаточно используется информация с геологической карты.

Приведенный выше обзор методик создания физико-геологических моделей земной коры заимствован из отчета ФГУП ГНЦ РФ ВНИИгеосистем, которому поручили разработать элементы технологии построения 3Д геолого-структурных моделей верхней части земной коры на основе комплексных ретроспективных геолого-геофизических данных [Черемисина Е.Н., Спиридонов В.А., Андреев В.С. и др. Разработать элементы технологии построения 3D геолого-структурных моделей верхней части земной коры на основе комплексных ретроспективных геолого-геофизических данных на примере листа R-52 (Тикси). Геологический отчет о результатах и объёмах работ, выполненных за 2010 год. Гос. контракт № АМ-02-34/24. /ФГУП ГНЦ РФ ВНИИгеосистем. ГР № 643-10-144. Инв. № 498733. –Москва. –2010.].

Исполнителями работ подготовлен обзор информационного обеспечения для построения 3D моделей. Кроме того разработана методика построения 3D геолого-структурной модели верхней части разреза земной коры с использованием ретроспективных дистанционных и картографических данных.

Эта методика ориентирована на слабоизученные в глубинном отношении обширные территории. Она имеет ярко выраженный комплексный характер исследований на базе ретроспективных геолого-геофизических материалов. Глубина исследований может быть ограничена 15-20 км. Построение объемной модели геологического строения выполняется последовательно и основывается на решении следующих основных задач:

- построение 2D структурных моделей основных поверхностей раздела на базе априорной геолого-геофизической информации;

- при наличии на изучаемой территории опорных или региональных геофизических профилей выполняется построение геологических разрезов по комплексу геофизических данных на всю глубину исследования;

- построение 3D модели фундамента;

- построение 3D модели осадочного чехла;

- построение единой 3D модели геологического строения всей территории исследования.

Комплексирование геолого-геофизической информации выполняется на всех этапах работ и обеспечивает высокую степень достоверности выводов.

Методика содержит следующие разделы:

- 2D-структурные модели основных поверхностей раздела.

- Построение комплексных 2D моделей по опорным и региональным геофизическим профилям.

- Построение 2D и 3D моделей по потенциальным полям.

- Согласование монометодных моделей земной коры.

- 3D модель фундамента.

- 3D модель осадочного чехла

Создание методики и ее апробация осуществлена на территории листа R-52 (Тикси). Для него создана база ретроспективной информации, включающая векторные цифровые модели карт масштаба 1:200 000, геофизические и дистанционные материалы. По результатам обработки геологических и геофизических данных построены поверхности архейского кристаллического фундамента, палеопротерозоя, а также укрупненных вещественных комплексов верхоянской складчатой области. На основе выделенных поверхностей и классификации геофизических данных построена 3D физико-геологическая модель листа R-52, уточнено геологическое строение района. Приведены структурные планы для основных этапов формирования геологического строения территории листа R-52.

На основе создания пространственных комплексных физико-геологических моделей строения земной коры и данных геофизических исследований (МОВ-ОГТ, МТЗ) на базе опорных и региональных профилей, ГСЗ и площадных гравимагнитных съемок ФГУП ГНЦ РФ ВНИИгеосистем было привлечено к деятельности по повышению перспектив изучаемых территорий на основе создания пространственных комплексных физико-геологических моделей строения земной коры юго-востока Западной Сибири и юга Восточной Сибири [Черемисина Е.Н., Каплан С.А., Галуев В.И. и др. Создание пространственных комплексных физико-геологических моделей строения земной коры юго-востока Западной Сибири и юга Восточной Сибири по данным геофизических исследований (МОВ ОГТ и МТЗ) на опорных (1-СБ, 3-СБ) и региональных (Восток-10, Восток-12, Восток-15, Восток-16) геолого-геофизических профилях и площадных гравимагнитных съемок. Геологический отчет о результатах и объемах работ, выполненных в 2008-2010 г. Гос. контракт № АМ-02-34/28; Доп. согл. №№ 1, 2, 3. /ФГУП ГНЦ РФ ВНИИгеосистем. ГР № 643-08-18. Инв. № 497536. -Москва. -2010.].

Исполнителями Отчета за период 2008-2011 гг. построены взаимоувязанные так называемые методные 2D модели строения земной коры, то есть модели отражающие пространственную структуру различных физических свойств горных пород (плотность, намагниченность и т.п.), определяемую по данным различных геофизических методов: МОВ, ГСЗ, МТЗ, магниторазведки, гравиразведки и др.

Разработана комплексная 2D модель строения земной коры по опорным и региональным профилям, представляющая собой обобщение структурно-физических методных моделей. Модель описывает распределение в разрезе земной коры физических параметров (интервальная скорость, плотность, электрическое сопротивление) в приближении к однородно-блочной модели среды с единой геометрией для всех физических свойств. Построена пространственная (3D) плотностная и магнитная модели строения земной коры. Получены обобщенные физико-геологические модели формирования месторождений и прогнозные модели вещественного состава с учетом реконструкции геодинамических процессов развития территории.

Разработанные исполнителями модели позволяют решать геологические задачи в части выявления закономерностей образования месторождений полезных ископаемых, критериев их обнаружения и т.п. На примере обобщенной физико-геологической модели формирования месторождений в пределах Енисейского кряжа выполнен прогноз на твердые полезные ископаемые. Для Енисейского кряжа по геолого-геофизическим материалам разработана глубинная петрологическая модель золотого оруденения и возможные геофизические критерии его прогнозирования.

Выявлены закономерности связи крупных областей нефтегазонакопления с аномальным строением консолидированной коры. Эти нефтенакопления обусловлены геодинамическими процессами и, прежде всего, постраннепротерозойской гранитизацией кристаллического субстрата и внедрением, преимущественно, пермо-триасовых интрузий и сопровождающих их постмагматических флюидов. Флюидодинамические процессы, обусловленные магматизмом, с одной стороны, приводили к вторичным изменениям геологической среды, выразившихся в дискретности распределения потенциальных полей в геологических разрезах, а с другой, способствовали формированию восстановленных флюидов, участвующих в нефтенакоплении.

Путем выделения генерационно-аккумуляционных систем и определения геолого-геохимических критериев нефтегазоносности зоны сочленения южного борта Курейской синеклизы с Байкитской и Непско-Ботуобинской антеклизами, как показали специалисты ФГУП «ВСЕГЕИ» [Ларичев А.И., Чеканов В.И., Оленникова Е.В. и др. Изучение генерационно-аккумуляционного потенциала зоны сочленения южного борта Курейской синеклизы с Байкитской и Непско-Ботуобинской антеклизами с целью оценки прогнозных ресурсов нефти и газа. Госконтракт № 139, дополнительные соглашения №№ 1, 2, 3. /ФГУП «ВСЕГЕИ». ГР № 16-07-88/1. Инв. № 498536. -Санкт-Петербург. -2010.], можно выделить перспективные участки и произвести их количественную оценку в отношении УВ. В частности, всего в вендском терригенном комплексе ими выделено 66 перспективных участков, представляющих собой антиклинальные ловушки, структурно-литологические и тектонически-экранированные ловушки с суммарными локализованными ресурсами категории Д₁ по нефти – 3394 млн. т, по газу- 3364 млрд. м³. В венд-нижнекембрийском карбонатном комплексе выделяются 74 перспективных участков, представляющих собой антиклинальные и тектонически-экранированные ловушки с суммарными локализованными ресурсами категории Д₁ по нефти – 1199 млн т, по газу- 1950 млрд. м³.

Эти положительные результаты получены, благодаря разработанной методике обработки и интерпретации ретроспективных сейсмических материалов, и построению с ее помощью геологических моделей. В качестве эталонов моделей были выбраны три месторождения, относительно хорошо изученные как сейсморазведкой МОГТ, так и глубоким бурением.

Значительная часть отчетов о геологическом изучении недр, выполненных за счет средств Государственного бюджета, естественно посвящена созданию Государственной сети опорных геолого-геофизических профилей, параметрических и сверхглубоких скважин, мелкомасштабных геологических карт нового поколения (в том числе Государственных геологических карт м-ба 1:1 000 000), современного тектонического районирования, изучению эндогенных процессов, формирующих геологические структуры, перспективные на обнаружение месторождений полезных ископаемых. Эти работы относятся к числу наиболее значимых работ федерального уровня, входящих составной частью в долгосрочные программы геологоразведочных работ общегеологического и специального назначения по региональному изучению недр суши, континентального шельфа Российской Федерации, Арктики и Антарктики.

Целевая направленность исследований, проводимых на глубинных геолого-геофизических профилях, связана с решением целого ряда важных для страны экономических, оборонных и политических задач, таких как: системное накопление и обновление фундаментальной геолого-геофизической информации о глубинном строении и динамике земных недр, необходимой, в свою очередь, при решении широкого круга геолого-картографических, минерагенических, геоэкологических, оборонных и др. задач; уточнение положения границы расширенного континентального шельфа за пределами 200-мильной зоны в прилегающих морских бассейнах по геолого-геофизическим данным; обоснование (с общегеологических позиций) долгосрочных, среднесрочных и краткосрочных программ развития минерально-сырьевой и топливно-энергетической базы России, включая оценку общего ресурсного потенциала страны, в особенности ее слабоизученных территорий.

Подобного рода работы характеризуются исключительной актуальностью, как для успешного развития экономики нашей страны, так и при решении важнейших фундаментальных и прикладных задач геологической науки.

Поэтому ФГУП «ВСЕГЕИ» была поручена разработка геолого-методических основ создания государственной сети опорных геолого-геофизических профилей и параметрических и сверхглубоких скважин [Мильштейн Е.Д., Ронин А.Л., Кашубин С.Н. и др. Разработка геолого-методических основ создания государственной сети опорных геолого-геофизических профилей, параметрических и сверхглубоких скважин. Гос. контракт № АМ-02-34/29 ; Доп. согл. №1, 2. /ФГУП «ВСЕГЕИ». ГР № 643-08-33. Инв. № 497344. –Санкт-Петербург, -2010.]. Основные результаты этих исследований представляются в виде следующих трех групп: аналитические, методические и геолого-геофизические.

К аналитическим результатам относятся следующие:

1. Геолого-методические заключения о ходе работ, отражающие результаты выездных рассмотрений; итоги рабочих совещаний и семинаров, анализ материалов по предварительной и окончательной апробации.

2. Актуализированная информационно-аналитическая система «Глубинное строение России», позволяющая осуществлять справочно-информационному обеспечению Роснедра.

3. Шестьдесят восемь экспертных заключений по оценке результатов работ по созданию государственной сети опорных геолого-геофизических профилей, параметрических и сверхглубоких скважин в период с 2008 по 2010 гг.

4. Цифровые и аналоговые макеты разделов Атласа «Опорные геолого-геофизические профили России», в информационно-емкой форме отражающие методологию изучения земной коры, результаты по трем наиболее протяженным опорным геолого-геофизическим профилям.

Методические результаты исследований заключаются в следующем:

1. Создание двухуровневой системы оперативной оценки качества полевых сейсмических материалов МОГТ с длиной записи более 15 с.

2. Актуализация «Требований, регламентирующих работы на опорных геолого-геофизических профилях».

3. Актуализация технологических модулей ИАС «Глубинное строение России».

4. Разработка новой прогрессивной формы систематизации и представления аналитических материалов.

5. Разработка и внедрение принципов создания Унифицированной модели земной коры как иерархической многоуровневой системы, состоящей из комплексов монометодных геофизических, пометодных структурно-физических моделей, многопараметровой структурно-физической и геолого-геофизической моделей.

6. Разработка унифицированных легенд.

7. Разработка методических принципов и соответствующих им технологических приемов обработки и интерпретации геофизических материалов для создания 3-D моделей земной коры.

8. Разработка и внедрение пошаговых методических схем создания 3-D структурно-плотностной модели, основанной на решении обратной задачи гравиметрии.

9. Предложение методико-технологических приемов создания 3-D структурно-плотностных моделей неоднородностей на разноглубинных срезах и вертикальных сечениях земной коры.

10. Предложение двух подходов к созданию многопараметровых структурно-физических и комплексных геолого-геофизических моделей.

11. Разработка структуры и формы представления картографических и текстовых материалов для Атласа «Опорные геолого-геофизические профили России».

12. Разработка рекомендаций по направлениям дальнейшего совершенствования работ по созданию «Государственной сети…» с целью повышения эффективности глубинных исследований.

Геолого-геофизические результаты заключаются в следующем:

1. Актуализированный блок «Результаты глубинных сейсмических исследований» как элемент ИАС «Глубинное строение России».

2. Плотностная модель по 3800 км фрагменту опорного профиля 1-ЕВ,

3. Комплексы унифицированных структурных и плотностных моделей общей протяженностью более 1 000 пог. км.

4. Комплексы унифицированных многопараметровых структурно-физических моделей, отражающие положение основных границ вертикальной и латеральной макроделимости коры, структурные особенности организации вещества и распределение значений скорости продольных волн, плотности и удельного сопротивления.

5. Геолого-геофизические модели, общей протяженностью более 1 500 пог. км, главным содержательным элементом которых является отражение распределения петрофизических комплексов в земной коре и верхней мантии.

6. Объемные (3-D) геолого-геофизические модели по двум принципиально различным «ключевым участкам» Европейского (Онежский участок) и Сибирского (Енисейский участок) регионов России.

Исследования ЗАО «Архангельскгеолразведка» в 2007-2010 гг. на Янгорской площади с целью оценки прогнозных ресурсов золота и выделения участков для проведения прогнозно-поисковых и поисковых работ в пределах восточной части Балтийского щита (Архангельская область) по мнению исполнителей были весьма актуальны и своевременны [Ершов Л.А., Боровикова С.С., Главатских С.П. и др. Подготовка геофизической и геохимической основ масштаба 1:200 000 с целью оценки ресурсного потенциала золота в пределах восточной части Балтийского щита (Архангельская область), проведенных в 2007-2010 гг. /ЗАО «Архангельскгеолразведка». ГР № 4-07-8/1. Инв. № 497430. –Новодвинск. Архангельской обл. –2010.].

Работы в составе наземной магниторазведки, электроразведки методом ЕП, электропрофилирования ЭП-СГ и методом ВЭЗ совместно с проведением геологических маршрутов, шлихоминералогическим опробованием, геохимическими поисками и буровыми работами, геологической документацией скважин, опробованием были проведены для решения следующих геологических задач:

1. Выявление и уточнение границ геохимических аномалий, перспективных на выявление месторождений золота.

2. Анализ закономерностей строения, состава и зональности выявленных геохимических аномалий, а также их пространственной корреляции с аномальными геофизическими полями, с целью обоснованного выделения участков, перспективных на выявление месторождений золота.

3. Оценка прогнозных ресурсов золота категории Рз восточной части Балтийского щита.

4. Разработка рекомендаций по проведению дальнейших геологоразведочных работ.

5. Создание компьютерной пополняемой базы данных геохимиче-

Вопросами комплексной геофизической съемки масштаба 1:50 000 и оценки потенциала Витимского горнорудного района на золото и уран в 2008-2010 гг. занимался коллектив исполнителей ЗАО ГНПП Аэрогеофизика [Лаврова Т.Ю., Трусов А.А., Игнатьев С.О. и др. Комплексная аэрогеофизическая съемка масштаба 1:50 000 Витимского горно-рудного района. Гос. контракт № 13-80. /ЗАО ГНПП Аэрогеофизика. ГР № 7-07-1/1. Инв. № 498379. -Санкт-Петербург. -2010.].

Были выполнены следующие виды работ:

1. Создана сводная дистанционная основа листов N-49-XII, N-49-XVI, N-49-XVII, N-49-XVIII, N-49-XXII, N-49-XXIII, N-49-XXIV в масштабе 1:200 000 с поканальными изображениями в различных спектральных диапазонах.

2. Составлены карты локальных радиогеохимических аномалий масштаба 1:200 000 по листам N-49-XII, N-49-XVI, N-49-XVII, N-49-XVIII, N-49-XXII, N-49-XXIII, N-49-XXIV

3. Выполнен широкий круг трансформаций магнитного, гравитационного, радиогеохимического и электромагнитного полей, необходимых для картирования важных (с позиций прогноза Au и U минерализации) элементов геологического строения территории и выявления рудоконтролирующих факторов.

4. Построены космоструктурные (по материалам МДЗ) и структурно-тектонические (по комплексным геофизическим данным) схемы листов N-49-XII, N-49-XVI, N-49-XVII, N-49-XVIII, N-49-XXII, N-49-XXIII, N-49-XXIV в масштабе 1:200 000.

5. Выявлены дистанционные, радиогеохимические и геофизические факторы контроля золотого и уранового оруденения характерных для района работ типов (золото-кварцевый, золотосульфидно-кварцевый типы – для благородно-металльной минерализации; «палеодолинный», «стратиформный», эндогенный – для радиоактивной).

6.  Составлены прогнозные на золото и уран карты масштаба 1:200 000 по листам N-49-XII, N-49-XVI, N-49-XVII, N-49-XVIII, N-49-XXII, N-49-XXIII, N-49-XXIV и масштаба 1:50 000 по участкам детализации Талойский, Троицкий, Хойготский, Байтахский.

7. Выделены и ранжированы по картам комплексного параметра перспективные участки и даны рекомендации по очередности постановки на них дальнейших поисковых и поисково-оценочных работ на золото и уран.

Все картографические материалы оформленны средствами пакета ArcView (Version 3.2а) в виде отдельных проектов масштаба 1:200 000 – по листам N-49-XII, N-49-XVI, N-49-XVII, N-49-XVIII, N-49-XXII, N-49-XXIII, N-49-XXIV и 1:50 000 – по участкам детализации Талойский, Троицкий, Хойготский, Байтахский.