Геофизическая модель земной коры, геодинамические обстановки и перспективы открытия Pb-Zn месторождений в российской Арктике

А.Л. Галямов, А.В. Волков, К.В. Лобанов

ФГБУН Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН (Москва, Российская Федерация)

Рассмотрены результаты сравнительного металлогенического ГИС-анализа на основе данных GOCE (Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer), который позволяет использовать элементы глубинного строения земной коры в качестве глобальных признаков в прогнозно-поисковых моделях Pb-Zn месторождений. В результате ГИС-анализа выделены основные глобальные признаки: пространственное размещение месторождений MVT-типа совпадает с поднятиями (астеносферными) поверхности Мохо, эти месторождения приурочены к среднетемпературной области верхней мантии и контролируются глубокими прогибами осадочного слоя коры, выделяемого по сейсмическим скоростям; месторождения VMS типа, располагаясь преимущественно на маломощной осадочной коре, соотносятся с умеренными мощностями нижней коры; SEDEX месторождения, занимая промежуточное положение между MVT и VMS, контролируются маломощной и/или умеренно мощной осадочной корой в ареалах развития рифтов. Использование этих глобальных признаков в прогнозно-поисковых моделях позволило выделить в Арктической зоне России новые перспективные площади для прогнозирования и поисков Pb-Zn месторождений.

Ключевые слова: Арктическая зона России, земная кора, глубинное строение, тектоническая обстановка, месторождение, MVT, SEDEX, VMS, свинец, цинк, модель, прогноз, поиски.

Современные прогнозно-металлогенические построения на основе космических технологий невозможны без подготовки ГИС-проекта, сочетающего материалы дистанционного зондирования Земли и базу данных (БД) месторождений полезных ископаемых [2]. При ГИС-анализе применяются известные методические приемы, заложенные в аналитический аппарат картографических математико-аналитических систем, а также разработанные авторами новые методические подходы.

В результате миссии GOCE (2009--2013 гг.) составлена новая глобальная гравитационная карта Земли [3]. Кроме того, более точно определена форма планеты, измерены сила тяготения в различных регионах и плотность земной коры. Создаваемые модели земной коры на основе сейсмических данных и разрезов были согласованы с наблюдаемым GOCE гравитационным полем. Проект GEMMA, также финансируемый Европейским космическим агентством (ESA), выполнил оценку границы между земной корой и мантией (Мохо) на основе полученных GOCE данных [3]. Космический аппарат GOCE массой 1 т был выведен с российского космодрома Плесецк ракетой-носителем «Рокот» на низкую околоземную солнечносинхронную орбиту 17 марта 2009 г. GOCE -- спутник ESA, сочетающий гравиразведку и GPS-трекинг для определения среднего гравитационного поля Земли с беспрецедентными точностью и пространственным разрешением [4]. Для обеспечения максимально возможной точности измерений была выбрана весьма низкая орбита -- 260 км над поверхностью Земли.

Рис. 2. Количество медных и свинцово-цинковых месторождений в странах Арктики по данным пространственно-статистического ГИС-анализа

Fig. 2. The number of the copper and lead-zinc ore deposits in Arctic countries according to spatial GIS analysis

Для объяснения закономерностей размещения и особенностей формирования месторождений различных формационных типов нами впервые применены современные глобальные модели глубинного строения земной коры, созданные на основе данных GOCE, модели глубины поверхности Мохо, мощности и строения осадочного чехла, модель CRUST1.0, унаследованная из модели CRUST2.0 [5; 6], модель плотности и термального режима верхней мантии [7]. Типы коры определяются в зависимости от возраста фундамента или тектонических условий, а остальные элементы осадочных слоев в основном соответствует модели [8]. В пределах осадочного слоя при его мощности около 20 км отмечаются сравнительно низкие сейсмические скорости. По скачкообразным изменениям сейсмических скоростей с глубиной в осадочном слое были выделены три горизонта (сверху вниз): мощностью 2 км, 5 км и третий, наиболее мощный, расположенный ниже 7 км [6; 8].

База данных Pb-Zn месторождений и рудопроявлений Арктики

По соотношению горизонтов в осадочной коре и слоев консолидированной коры в глобальном плане можно выделить семь типов разреза (см. рис. 4а). Блоки коры с разрезом I типа распространены на более чем 75% земной поверхности. В ее строении присутствуют все три слоя и незначительный по мощности верхний горизонт осадочной коры. Общая мощность варьирует от 6 км (океаны) и до 100 км (континенты). В Арктике по соотношениям слоев коры также отмечаются все типы разрезов кроме последнего -- VII (см. рис. 4а).

Рис. 4. Типовые разрезы земной коры I-VII (а), разделение разрезов типа I на подтипы I-1, I-2 и I-3 (б). Консолидированная кора: 1 - нижняя (базальтовая), 2 - средняя (гранитная), 3 - верхняя (метаморфическая). Горизонты осадочного слоя коры: 4 - нижний, 5 - средний, 6 - верхний; 7 - площадь распространения типовых разрезов коры

Fig. 4. Typical sections of the Earth's crust IVII (a), subdivision of sections of type I into subtypes I-1, I-2 and I-3 (б). Consolidated crust: 1 - lower (basalt), 2 - middle (granite), upper (metamorphic). The horizons of the crust sedimentary layer: 4 - lower, 5 - middle, 6 - upper; 7 - distribution area of the crust typical sections

Рис. 5. Пространственные соотношения возраста геологических формаций и мощности консолидированной коры (а), возраста формаций (б) и их геодинамических обстановок (в) и термального режима верхней мантии. Геодинамические режимы: А - активная окраина, P - пассивная окраина, C - коллизия, B - докембрийский фундамент, S - ареалы платформенного чехла

Fig. 5. Spatial relationships between the age of geological formations and the thickness of the consolidated crust (a), age of formations (б), their geodynamic conditions (в) and the thermal state of the upper mantle. Geodynamic modes: A - active margin, P - passive margin, C - collision, B - Precambrian basement, S - platform sediments

Другая особенность заключается в том, что нижняя «базальтовая» кора в некоторых областях практически не выражена в геофизическом разрезе. ГИС-анализ показывает, что древние формационные комплексы слагают кору увеличенной мощности (до 50 км) в отличие от коры мощностью менее 35 км, сложенной кайнозойскими толщами, причем наиболее молодые формации (мезо-кайнозойские) соотносятся с блоками верхней мантии с увеличенной до 1100--1200°C температурой (рис. 5б). Здесь также часто сосредоточены ареалы мезо-кайнозойского интрузивного магматизма; более древние проявления магматизма пространственно тяготеют к более мощной коре и менее нагретой верхней мантии.

С термальным состоянием верхней мантии также увязываются области различных геодинамиче- ских режимов развития геологических формаций. Наибольшая температура мантии (1000--1400°С) пространственно сопоставляется с участками активной континентальной окраины и связанными с ней коллизионными зонами. Минимальные температуры (вплоть до 400°C) отмечаются под платформами и выступами докембрийского основания (рис. 5в).

По характеру распределения и мощности этот тип коры условно разделяется на три подтипа (см. рис. 4б). Значительная часть коры первого подтипа охватывает весь мировой океан (270 млн км²), ее мощность не превышает 20 км и скорее всего она является океанической (см. рис. 4б). Кора второго подтипа, имеющая наибольшую мощность (до 110 км) и сравнительно малое площадное развитие (около 4 млн км²), соответствует орогенным областям Тибета, Анд и складчатым поясам (Загрос в Иране и др.). В Арктике этот подтип практически отсутствует.

Остальные площади (более 120 млн км²), отнесенные к коре третьего подтипа, мощность которой условно варьирует от 20 до 60 км, остаются нерасчлененными. Здесь территории охватывают выступы докембрийского фундамента (Балтийский, Алданский, Канадский и другие щиты) и подвижные пояса -- активные континентальные окраины (Северо-Восточная Евразия, Кордильеры, Анды и др.). Наиболее широко проявлены ареалы мезозойского и позднепалеозойского гранитоидного магматизма, по площади суммарно превышающие 1,5 млн км². В Арктике этот подтип преобладает по площади (почти 15 млн км²) при средней мощности 35 км. По

сейсмическим, геологическим и петрофизическим данным на Кольском полуострове выделяют четыре слоя коры: нижний гомогенный, средний гетерогенный, докембрийский фундамент и неметаморфизо- ванные рифейские породы [11].

Второй тип разреза также характеризуется наличием всех трех слоев консолидированной коры, а также сравнительно мощными двумя верхними горизонтами осадочной коры (см. рис. 4а). Этот тип пространственно сопоставляется с крупными кратонами, включая фланговые области внутриплитного магматизма, и другими малоподвижными террейнами (Восточно-Европейская и Сибирская платформы, Западно-Сибирская плита, Северо-Американская, Южно-Американская и Африкано-Аравийская платформы). Кора этого типа в составе осадочного слоя включает мощные и широкие по площади платформенные отложения, а ее мощность изменяется от 7 до 95 км, магматизм широко проявлен в виде триасового внутриплитного вулканизма, а в складчатом обрамлении платформ -- в крупных ареалах мезозойской тектоно-магматической активизации. Эти соотношения сохраняются и для Арктической зоны, общая площадь коры составляет около 8 млн км², наибольшая часть ее поверхности относится к пассивной континентальной окраине. На активных участках континентальной окраины и в коллизионных зонах магматические ареалы, большей частью связанные с триасовыми интрузиями, занимают примерно 250 тыс. км².

Третий тип разреза мощностью 11--70 км имеет сходное с разрезом второго типа строение, разница заключается в большей завершенности и повышенной мощности осадочного слоя (см. рис. 4а). Ареалы коры этого типа в первую очередь соотносятся с широко развитым раннемезозойским вну- триплитным магматизмом и в пределах платформ, и в их пассивных окраинах (Восточная Гренландия, Сибирская трапповая провинция и др.), а также участками кайнозойского и современного вулканизма (Вилюйская впадина, Камчатка). В Арктическом пространстве кора охватывает немногим более 1 млн км², где преобладают комплексы пассивной окраины и зон, осложненных коллизионными процессами и проявлениями, в основном раннемезозойского магматизма.

Четвертый, пятый и шестой типы разреза составляют группу, характеризующуюся практически невыраженным нижним (базальтовым) слоем консолидированной коры (см. рис. 4а).

Четвертый тип разреза при мощности до 35 км характеризуется полным строением и наибольшей мощностью (до 15 км) осадочного чехла и охватывает крупные нефтегазоносные бассейны (Мексиканский залив, Саудовская Аравия, Норвежское и Карское моря, Западная Сибирь и др.), а также отмечается в бассейнах Средиземного, Черного и Каспийского морей. В арктическом регионе кора соотносится с нефтегазоносными Баренцевоморской, Карской провинциями, Свердрупским и Северо-Аляскинским бассейнами.

Пятый тип коры мощностью от 7 до 45 км пространственно соотносится с переходной корой в пределах современных шельфов пассивной континентальной окраины (фланги Свальбардской плиты, впадина Бофорта в Канаде). Это относится также к островодужным системам активных окраин (Алеутский, Охотский и Сахалинский блоки, Пиренейский и Болеарский средиземноморские бассейны). В Арктической зоне этот тип представлен слабо.

Шестой тип отличается малой мощностью осадочного слоя, представленного только верхним горизонтом. Общая мощность разреза весьма изменчива (от 5 до 45 км), и, по-видимому, кора является переходной от континента к океану и развита в зонах субдукции, в том числе в пределах Тихоокеанского пояса и Карибского бассейна.

Седьмой тип разреза имеет мощность от 7 до 20 км, в его строении при наличии «гранитного» и «базальтового» слоев очень слабо выражен верхний (метаморфический) слой консолидированной коры, а осадочный слой практически отсутствует (см. рис. 4а). Этот тип коры встречается лишь в крупных зонах срединно-океанических хребтов Индийского океана.

В Арктической зоне земная кора представлена первыми шестью типами разрезов (см. рис. 4а). Ареалы коры различных типов и формационные комплексы различной геодинамической природы показаны на карте Циркум-Арктики (рис. 6а и 6б). На основе ГИС-анализа выявляется отчетливая прямая связь между мощностью земной коры, ее структурой и различных по возрасту и геодинами- ческой природе геологических формаций, при этом мезокайнозойские структуры в северном полушарии слагают кору с весьма изменчивой мощностью. Обратная связь в целом намечается между возрастом формаций и температурой верхней мантии, под структурами, возраст которых моложе триаса, где мантия разогрета больше, чем под древней корой. Следовательно, можно предположить, что разогрев верхней мантии под мезозойскими структурами (Тихоокеанский рудный пояс) сохраняется еще с мезозоя, поскольку мантия под корой этого возраста имеет температуру, близкую к максимальной (около 1200--1300°C). Под палеозойской и докембрийской корой мантия отличается минимальными значениями температуры вплоть до 400°C (в районе Анабарского щита).

Развитие прогнозно-поисковых моделей Pb-Zn месторождений

В состав типовых геолого-поисковых моделей свинцово-цинковых месторождений входят региональные и локальные признаки [12]. Они характеризуют геодинамические обстановки и фациальные особенности формирования рудовмещающих толщ, а также их тектонические дислокации, общие мине- ралого-геохимические особенности пород, отражающие их взаимодействие с рудоносными флюидами, и геофизические поля, характеризующие состояние геологического и рудного пространства. Для целей регионального прогноза важно выделять именно глобальные признаки рудоносности, в качестве которых выступают общие особенности рудовмещающих формаций, геодинамические и тектоно-магматические обстановки их образования [13], которые в совокупности определяются состоянием земной коры, включая ее осадочный слой.

Рис. 6. Распространения ареалов типового строения земной коры (а) и тектоническая схема (б) в Циркумполярной области: I - нерасчлененные области, II - кратоны и малоподвижные области, III - ареалы внутриплатного магматизма, IV - зоны суб- дукции, V - рифтогенные структуры, VI - нефтегазоносные бассейны. Формационные комплексы: S - чехол, C - коллизионные зоны, A - активная континентальная окраина, J - островодужные комплексы, P - пассивные континентальные окраины, R - рифтогенные структуры, H - области внутриплитного магматизма, B - комплексы докембрийского основания

Fig. 6. Distribution of areas of the typical crust structure (a) and tectonic pattern (б) in the Circum-Polar region: I - undivided areas, II - cratons and stiff (sedentary) areas, III - areas of intraplate magmatism, IV - subduction zones, V - rift-genic structures, VI - oil&gas basins. Geodynamic modes: S - platform sediments, C - collision zones, A - active continental margin, J - island-arc complexes, P - passive continental margins, R - rift-genic structures, H - areas of intraplate magmatism, B - complexes of the Precambrian basement

В результате ГИС-анализа выделены глобальные признаки, на основе которых получили дальнейшее развитие прогнозно-поисковые модели Pb-Zn месторождений. Анализ показал, что у месторождений SEDEX и MVT много общего. Во-первых, пространственная связь с мощными разрезами осадочного слоя земной коры, MVT залегают в карбонатных толщах интракратонных и перикратонных прогибов, пространственно тяготеют к крупным осадочным бассейнам, а SEDEX -- в задуговых бассейнах, связанных с рифтогенными структурами пассивной окраины. Во-вторых, геодинамические обстановки формирования этих типов месторождений сопровождаются проявлениями углеводородов (Южное Верхоянье, Туора-Сис, Хараулах в Якутии, Пайхой- Новоземельский бассейн, бассейн Сельвин в Канаде). Кроме того, месторождения SEDEX и MVT часто приурочены к глубоким прогибам (около 2 км) верхнего и среднего горизонтов осадочной коры (рис. 7а). Такое размещение месторождений, а также изотопные данные указывает на рудовмещающие толщи как наиболее вероятный источник рудоносных флюидов [14]. Однако в отличие от SEDEX руды MVT содержат много радиогенного Pb, например месторождение Мидконтинент (США) [14].

Существуют представления, что месторождения SEDEX и VMS залегают в близких геодинамических обстановках, связанных с вулканизмом [12]. Вторые приурочены преимущественно к активным областям вулканической деятельности и тектоно-магматической активизации на утоненной коре и к периферии крупных седиментационных прогибов. Именно в таких участках консолидированная кора и нижний «базальтовый» слой в ее составе имеют уменьшенную мощность (рис. 7б) и соответственно максимальную близость к разогретой до 1100--1300°C верхней мантии. Эта закономерность -- одна из глобальных особенностей размещения руд VMS.

Месторождения SEDEX, напротив, рассредоточены в терригенно-карбонатных комплексах на коре с мощностью «базальтового» слоя -- 10--15 км (см. рис. 7б). Месторождения MVT занимают промежуточное положение межу SEDEX и VMS -- в ареалах распространения субплатформенных комплексов и формаций пассивной континентальной окраины.

Рис. 7. Пространственные соотношения месторождений MVT, SEDEX и VMS типов в мире и Арктической зоне (аз) с изменчивостью толщины осадочной коры (а) и мощностью нижнего «базальтового» слоя консолидированной коры (б)

Fig. 7. Spatial relationships of deposits of MVT-, SEDEX- and VMS-types in the world and in the Arctic zone (аз) with the variability of sedimentary crust thickness (a) and thickness of the lower “basalt” layer of consolidated crust (б)

В пределах выступов докембрийского основания, как показывает ГИС-анализ, в строении коры отмечаются два типовых разреза. Первый характеризуется полным или частичным отсутствием нижнего «базальтового» слоя. Например, в Гренландии кора с таким строением установлена в Наг сугтокском орогенном поясе, сформировавшемся в рифее (1,91--1,77 млрд лет). В Канаде этот тип отмечается в пределах зоны Капейскейсинг (центральная часть кратона Сьюпириор), а в России -- на восточном фланге Алданского щита в районе Пограничной (Хингано-Охотской) трансрегиональной гравитационной ступени [15]. Второй тип разреза слагает основные территории Балтийского, Канадского, Алданского и других щитов. Здесь толщина нижней коры составляет 15--30 км. Возраст орогенеза в этих блоках варьирует в широких пределах от кеноранской (2,7--2,5 млрд лет) до каледонской эпохи.

В локализации VMS и SEDEX в докембрийских комплексах отмечается особенность -- ареалы их распространения ограничиваются мощностью земной коры в 40--45 км, иногда до 60 км. Свинцово- цинковые жилы, например в Печенгском рудном районе, залегают в неметаморфизованных рифей- ских песчаниках пассивной континентальной окраины и архейских гнейсах и кристаллических сланцах фундамента и ассоциируются с проявлениями рифтогенеза при формировании шельфовой плиты Баренцева моря [11]. При этом максимальная высота границы Мохо здесь (34 км) рассматривается как реликтовый мантийный плюм. VMS объекты в этих условиях также тяготеют к участкам с минимальной толщиной нижнего «базальтового» слоя, с первым типом разреза (см. рис. 4а).

Анализ показывает, что наиболее мощная консолидированная кора (30 км и более, см. рис. 6), отнесенная к подтипу 1-1, распространена в орогенных поясах -- Кордильеры, Анды, Северо-Восточные территории Канады, скандинавские регионы, вулкано-плутонические пояса и ассоциации (УралоМонгольский, Охотско-Чукотский, Восточные Саяны и др.). VMS и SEDEX объекты в этих регионах сосредоточены на умеренно мощной консолидированной коре (30--40 км). Магматические дуги, вмещающие VMS месторождения и порфировые объекты, по современным представлениям контролируются наложенными аккреционными и постаккреционными структурами активных континентальных окраин [16]. В результате исследований установлено, что здесь на аккреционном этапе на коре средней мощностью 30--35 км в наибольшей близости с маломощным (8--9 км) «гранитным» слоем, контаминировавшим аккреционные комплексы, возникали порфировые объекты. Причем в наложенных зонах орогенеза толщина первых двух слоев несколько увеличена (до 20--22 км суммарно).

Полученные в результате ГИС-анализа новые глобальные прогнозно-поисковые признаки Pb-Zn месторождений представлены в табл. 1.

Таблица 1. Прогнозные глобальные критерии и признаки MVT, SEDEX и VMS месторождений

* См. рис. 4.

Рис. 8. Схематическая прогнозная карта Pb-Zn месторождений в Арктике

Fig. 8. Schematic forecast map of Pb-Zn deposits in the Arctic

Заключение

Литература

1. Бортников Н. С., Лобанов К. В., Волков А. В. и др. Арктические ресурсы цветных и благородных металлов в глобальной перспективе // Арктика: экология и экономика. -- 2015. -- № 1 (17). -- C. 38--46.

2. Волков А. В., Галямов А. Л., Белоусов П. Е., Вольфсон А. А. Применение космических технологий в металлогеническом анализе территории Арктической зоны России // Арктика: экология и экономика. -- 2020. -- № 2 (38). -- С. 77--85. -- DOI: 10.25283/2223-4594-2020-2-77-85.

3. Reguzzoni M., Sampietro D. GEMMA: An Earth crustal model based on GOCE satellite data // Int. J. Appl. Earth Obs. Geoinform. -- 2015. -- Vol. 35. -- P 31--43.

4. Клюйков А. А. Новая эра в изучении гравитационного поля Земли // Науч. тр. ин-та астрономии РАН. -- 2018. -- Т. 2. -- С. 20--25.

5. Bassin C., Laske G., Masters G. The Current Limits of Resolution for Surface Wave Tomography in North America // EOS Trans AGU. -- 2000. -- 81. -- F897. -- URL: http://igppweb.ucsd.edu/~gabi/crust2.html.

6. Bouman J., Ebbing J., Meekes S. et al. GOCE gravity gradient data for lithospheric modeling // Int. J. Appl. Earth Obs. Geoinform. -- 2015. -- Vol. 35. -- P 16--30.

7. Cammarano F., Guerri M. Global thermal models of the lithosphere // Geophys. J. Int. -- 2017. -- Vol. 210. -- P 56--72.

8. Laske G., Masters G. (). AGlobal Digital Map of Sediment Thickness // EOS Trans AGU. -- 1997. -- 78. -- F483.

9. Белоусов В. В., Павленкова Н. И. Типы земной коры Европы и Северной Атлантики // Геотектоника. -- 1989. -- № 3. -- С. 3--14.

10. Кашубин С. Н., Павленкова Н. И., Петров О. В. и др. Типы земной коры Циркумполярной Арктики // Регион. геология и металлогения. -- 2013. -- № 55. -- С. 5--20.

11. Лобанов К. В., Чичеров М. В., Чижова И. А. и др. Глубинное строение и рудообразующие системы Печенгского рудного района (Арктическая зона России) // Арктика: экология и экономика. -- 2019. -- № 3 (35). -- С. 107--122. -- DOI: 10.25283/2223-4594-2019-3-107-122.

12. Ручкин Г. В., Конкин В. Д., Кудрявцева Н. Г. Металлогенические ряды месторождений цветных и благородных металлов в основных геотектонических обстановках // Руды и металлы. -- 1997. -- № 4. -- С. 30.

13. Конкин В. Д., Донец А. И., Ручкин Г. В. Минералогогеохимические типы и региональные геологические особенности стратиформных свинцово-цинковых месторождений в карбонатных толщах // Отечеств. геология. -- 2018. -- № 4. -- С. 52--62. -- DOI: 10.24411/0869-7175-2018-10005.

14. Pirajno F. Hydrothermal Processes and Mineral Systems. -- [S. l.]: Springer Netherlands, 2009. -- 1252 p.

15. Диденко А. И., Малышев Ю. Ф., Саксин Б. Г. Глубинное строение и металлогения Восточной Азии. -- Владивосток: Дальнаука, 2010. -- 232 с.

16. Волков А. В., Сидоров А. А., Старостин В. И. Металлогения вулканогенных поясов и зон активизации. -- М.: МАКС-ПРЕСС, 2014. -- 356 с.

Информация об авторах

Галямов Андрей Львович, кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник, Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН (119017, Россия, Москва, Старомонетный пер., д. 35)

Волков Александр Владимирович, доктор геолого-минералогических наук, главный научный сотрудник, заведующий лабораторией, Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН (119017, Россия, Москва, Старомонетный пер., д. 35)

Лобанов Константин Валентинович, доктор геолого-минералогических наук, член-корреспондент РАН, главный научный сотрудник, Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН (119017, Россия, Москва, Старомонетный пер., д. 35)

Galyamov Andrey Lvovich, PhD of Geology and Mineralogy, Senior Researcher, Institute of Geology of Ore Deposits, Petrography, Mineralogy and Geochemistry, RAS (35, Staromonetnyi per., Moscow, Russia, 119017)