Реконструкция пространственно-временной связи между деформациями горных пород и физико-химическими параметрами гидротермального процесса

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реконструкция пространственно-временной связи между деформациями горных пород и физико-химическими параметрами гидротермального процесса

В.А. Петров

В.В. Полуэктов

В.Ю. Прокофьев

Аннотации

На основе сочетания специальной методики микроструктурного анализа, реализованной с помощью авторского программного модуля, интегрированного в ГИС, и микротермометрических исследований осуществлена реконструкция пространственно-временной связи между деформациями горных пород и физико-химическими параметрами гидротермального процесса на примере Mo-U месторождения Антей в Восточном Забайкалье.

Ключевые слова: специальная методика микроструктурного анализа, поле напряжений-деформаций, миграция флюидов, физико-химические условия рудообразования, гидротермальные месторождения

S. A. Ustinov, V. A. Petrov, V. V. Poluektov, V. Yu. Prokof'ev

Reconstruction of the spatial-temporal relationships between the deformations of rocks and physicochemical parameters of the hydrothermal process

On the basis of a combination of the special technique of microstructural analysis realized by means of the author's program module integrated into GIS, and the microthermometric researches, the spatial-temporal relationships between rock deformations and physicochemical parameters of hydrothermal process on the example of the Antei Mo-U deposit in the Eastern Transbaikalia were reconstructed.

Keywords: special technique of microstructural analysis, stress-strain field, fluid migration, physical and chemical conditions of ore formation, hydrothermal deposits.

Введение

Микроструктуры в горных породах, формирующиеся под действием определённого поля напряжений-деформаций, в значительной мере определяют как физические и деформационные свойства породы, так и физико-химические условия минералообразования [1, 4]. С точки зрения фундаментальных и прикладных аспектов геологической науки, одной из наиболее важных задач является реконструкция пространственно-временной связи между разновременными деформациями массивов горных пород и физико-химическими параметрами связанных с ними этапов гидротермального процесса. Один из путей решения этого вопроса - реконструкция динамики формирования деформационных микроструктур в зависимости от параметров поля напряжений-деформаций в сочетании с определением свойств палеофлюидов, которые фиксируются в микроструктурах как вторичные флюидные включения (ФВ). В связи с этим возникает необходимость разработки нового подхода к изучению микроструктур, оценки целого ряда их геометрических параметров, с возможностью сочетания результатов, полученных методами структурной геологии, микротермометрии и рамановской спектроскопии, сканирующей электронной микроскопии, а также с привлечением данных по геодинамике и разрывной тектонике. Всё это позволит реконструировать пути и условия миграции потоков гидротермальных растворов, устанавливать хронологию флюидопроницаемости пород, восстанавливать этапы эволюции трещинно-порового пространства и количественно рассчитывать фильтрационные характеристики различных типов горных пород в палео- и современных условиях, определять динамику изменения термобарических и физико-химических условий рудообразования на различных этапах тектогенеза [6]. В представляемой работе на основе сочетания специальной методики микроструктурного анализа и методов анализа минерального вещества предложен подход к решению данной задачи.

Специальная методика микроструктурного анализа

Микроструктурный анализ в геологии применяется в основном для реконструкции полей напряжений и деформаций самого высокого ранга, которые действуют в пределах небольших объёмов минеральных агрегатов. Необходимым условием для реализации любой методики микроструктурного анализа является отбор ориентированных в пространстве образцов.

Главной задачей, решаемой с помощью традиционного микроструктурного анализа, является установление закономерностей пространственного распределения минералов на базе построения диаграмм ориентировок, обрабатываемых статистически на стереографических проекциях [3]. Однако главными проблемами классической методики микроструктурного анализа являются техническая сложность её проведения, необходимость в получении большого количества данных, а также сложность и неоднозначность интерпретации этих данных. Кроме того, данная методика не позволяет устанавливать связи между эпизодами деформаций горных пород и физико-химическими условиями протекания гидротермального процесса. горный порода деформация

В последние годы в западной, преимущественно тектонофизической, литературе публикуются результаты изучения особенностей (морфогенетические параметры, минеральное выполнение, соотношение между собой) микрообъектов горных пород в контексте изменения тектонической обстановки. Установление последовательности образования трещин и микротрещин различных генераций даёт возможность наметить соответствующие фазы тектонических движений, а также определить пути и этапы поступления флюидов, в том числе рудоносных, в трещинно-поровое пространство. Используя эти наработки, авторами создана специальная методика микроструктурного анализа [10], направленная на выявление структурных особенностей линейных микрообъектов (микротрещин, разрывов, контактов минеральных зерен, включений, шлиров) в ориентированных шлифах. В сочетании с методами структурной геологии, определением свойств палеофлюидов, которые "запечатываются" в микроструктурах как вторичные флюидные включения, микротермометрии и рамановской спектроскопии этих вторичных включений, сканирующей электронной микроскопии минерального выполнения микроструктур, а также с привлечением данных по геодинамике и разрывной тектонике, специальная методика микроструктурного анализа значительно расширяет свои возможности. Самое важное, что на основе данной разработки появляется возможность установления физико-химических параметров, связанных с конкретным этапом деформаций горных пород в рамках единого гидротермального процесса.

Микроструктурное картирование и измерение геометрических параметров объектов проводится по двумерным цифровым фотографиям ориентированных шлифов, которые могут быть получены с помощью оптического микроскопа, оборудованного цифровой камерой. Авторами на основе ГИС-технологий было создано оригинальное модульное программное обеспечение (ПО), которое позволяет реализовать и автоматизировать решение задач специальной методики микроструктурного анализа и значительно сократить время измерения геометрических параметров микроструктур [8, 10].

Планарные системы флюидных включений

Свидетельства влияния палеопотока флюидов на вмещающую породу можно наблюдать не только на макро-, но и на микроуровне благодаря изучению микротрещин различных генераций и типов. Микротрещины в горных породах обычно рассматривают как "открытые", не заполненные вторичными минералами, и "минерализованные", которые заполнены, иногда частично, вторичными минералами или "вторичными" флюидными включениями. Под "вторичными" понимаются такие включения, которые образуются в течение какого-либо процесса, имевшего место после того, как кристаллизация минерала-хозяина была, по существу, завершена [13].

Присутствие на микроуровне заполненных или частично заполненных минерализацией трещин свидетельствует о проявлении процессов фильтрации флюидов в геологическом прошлом. Микротрещины, захватившие вторичные флюидные включения формируют отчетливо проявленные системы, являющиеся свидетельством того, что процесс прохождения флюидов через матрицу горной породы был достаточно длительным [12] и протекал на фоне ориентированного стресса [11].

Данные системы в практике структурно-геологических исследований получили название "планарные системы флюидных включений" (ПСФВ) [11, 15]. ПСФВ очень хорошо визуально отличаются в шлифе от других типов микротрещин (рис. 1).

Благодаря тому, что ориентировка ПСФВ определяется вариациями параметров поля напряжений-деформаций [5], становится возможным использовать их в качестве структурных маркеров для воссоздания хронологии проницаемости пород, реконструкции геометрии путей миграции флюидов и установления динамики изменения термобарических и физико-химических условий на различных этапах деформации геологических тел.

Кристаллографические особенности минералов практически не сказываются на ориентировке ПСФВ [12], поэтому их сохранность в породах, и, следовательно, возможности изучения, как правило, высоки. Это особенно характерно для кварца, который демонстрирует наиболее соотносимую с геологическим временем скорость формирования включений [14].

Месторождение Антей

Образцы для измерения структурно-геометрических параметров ПСФВ в совокупности с микротермометрическим анализом вторичных флюидных включений для реконструкции физико-химических параметров отбирались авторами на молибден-урановом месторождении Антей. Оно расположено в юго-восточном Забайкалье в пределах Стрельцовской кальдеры, сформированной в процессе позднемезозойской тектономагматической активизации региона [2]. Жильно-штокверковые рудные тела локализованы в гранитном фундаменте кальдеры и являются наиболее глубоко залегающими объектами добычи в Стрельцовском рудном поле. Вмещающие породы представлены в основном биотитовыми и лейкократовыми гранитами, а также высоко- и низкотемпературными метасоматитами в рудоносных зонах, контролируемых системой субпараллельных разломов.

Ориентированные образцы для изучения параметров трещинного пространства отбирались, как по всей площади месторождения, так и по профилям. Профили располагались друг над другом на гипсометрических уровнях 9-го, 11-го и 14-го горизонтов месторождения, на глубинах от поверхности ~550, 670 и 850 м соответственно, по мере удаления от рудного разлома номер 13. Всего было отобрано 60 ориентированных образцов, представляющих все разновидности пород и их метасоматических преобразований, наблюдаемых на месторождении.

Результаты микроструктурного и микротермометрического анализов планарных систем флюидных включений

Для проведения микротермометрических исследований из отобранных образцов на 9-м, 11-м и 14-м горизонтах месторождения в соответствии с методикой изготавливались специальные шлифы, толщина которых составляла 0,3-0,5 мм. Шлифы были строго ориентированы в пространстве и поверхность каждого шлифа лежала в горизонтальной плоскости. На начальном этапе шлифы анализировались с помощью оптического микроскопа при различных увеличениях. В них изучались преимущественно зерна кварца на предмет наличия флюидных включений различного генезиса, а также флюидных включений, формирующих ПСФВ. В итоге были выделены участки кварцевых зерен, содержащих необходимые флюидные включения, для которых в дальнейшем, благодаря методам термобарогеохимии, возможно провести интерпретацию микротермометрических данных (температура, солевой состав водных растворов, плотность, концентрация, давление и т.д.).

В результате применения специальной методики микроструктурного анализа для каждой секции каждого шлифа были выявлены ориентировки ПСФВ [9], построены розы-диаграммы и на них стрелками показана приуроченность исследуемого флюидного включения к определенной генерации ПСФВ.

При визуальном изучении вторичных ФВ, приуроченных к микроструктурам, в кварце месторождения Антей были обнаружены включения двух типов: двухфазовые газово-жидкие включения слабоминерализованных водных растворов и трехфазовые включения водно-солевых растворов с повышенной концентрацией углекислоты, причем последние достаточно редки. Установлено, что в составе растворов двухфазовых флюидных включений первого типа преобладали хлориды Na, K и Mg. Об этом свидетельствуют хлоридные эвтектики растворов включений в температурном интервале от -27 до -39С. Полная гомогенизация флюидных включений происходит при температурах от 163 до 350С, концентрация солей составляет от 1,5 до 9,8 мас. %-экв. NaCl. Плотность флюида 0,82-0,96 г/см 3.

Температуры гомогенизации первично-вторичных углекислотно-водных флюидных включений второго типа в кварце изменяются в интервале от 277 до 229С. Концентрация солей в растворе флюидных включений этого типа составляет 8,1-4,9 мас. %-экв. NaCl. Концентрация углекислоты в рудообразующем флюиде достигала 3,4-2,4 моль/кг раствора, а метана - 0,7-0,5 моль/кг раствора. Плотность углекислотно-водного флюида 0,92-0,88 г/см 3. Судя по величине температуры эвтектики (от -36 до -34С), в рудообразующих флюидах среди солей преобладали хлориды натрия и магния.

По результатам микротермометрических исследований ФВ для рассматриваемых горизонтов месторождения Антей были построены стандартные диаграммы "температура гомогенизации - солёность", но, что важно, на данных диаграммах также был отражен структурный параметр - ориентировка ПСФВ, к которым относятся исследуемые ФВ (рис.2).

На основе построенных диаграмм и изученных в отобранных образцах процессах метасоматического преобразования пород, широко проявленных на месторождении [7] воссоздана последовательность активизации микроструктур, участвовавших в процессе миграции флюидов, и связанных с ними физико-химических параметров (рис. 3). В верхних (9-й и 11-й горизонты) и нижних (14-й горизонт) частях месторождения выявлены различия в ориентировке микротрещин, которые являлись отражением действия различных полей напряжений-деформаций. Скорее всего, на вертикальном промежутке между 11-м и 14-м горизонтами месторождения существовала условная граница структурного несогласия, разделяющая два структурных этажа. Все полученные результаты позволили создать модель развития флюидопроводящих микроструктур месторождения Антей. Условно в длительной истории формирования месторождения по результатам проведённых исследований было выявлено три основных наиболее важных структурных этапа (рис. 3).

Выводы

В процессе миграции флюидов микроструктурные факторы неразрывно связаны с физико-химическими параметрами гидротермального процесса. Для установления данной связи в одном образце необходимо воспользоваться различными методами, результаты которых возможно рассматривать в совокупности с результатами специальной методики микроструктурного анализа. Благодаря использованию методов микротермометрии вторичных флюидных включений, формирующих планарные системы, появляется возможность реконструкции последовательности активного развития микроструктур и установления физико-химических параметров на определённом этапе эволюции поля напряжений-деформаций.

На основе результатов работы дополнены представления о механизмах протекания процессов уранового рудообразования во флюидно-магматических системах вулканических построек областей мезозойской тектономагматической активизации, что позволит создать более точную модель формирования месторождений.

По мнению авторов, дальнейшие исследования должны быть ориентированы на сопоставление полученных микроструктурных данных с данными о вещественном составе вмещающих пород, метасоматитов и руд. Это поможет выявить вероятные петрологические причины формирования обнаруженных микроструктурных неоднородностей. Кроме того, дополнительно может быть проведён анализ флюидных включений, формирующих планарные системы, с помощью Рамановской спектроскопии, что позволит установить температуру, давление, солёность, содержание Н 2О, СО 2, СН 4, N2 и, таким образом, получить дополнительную информацию по физико-химическим параметрам гидротермального процесса.

Работа выполнена в рамках базовой темы № 0136-2018-0017 государственного задания ИГЕМ РАН "Тектонодинамические и физико-химические условия мобилизации, переноса и отложения урана при формировании основных промышленно-генетических типов урановых месторождений"

Библиографический список

1. Елисеев Н.А. Структурная петрология. Л.: Изд-во Ленинградского Государственного ордена Ленина Университета им. А.А. Жданова, 1953. - 309 с.

2. Ищукова Л.П., Игошин Ю.А, Авдеев Б.В. и др. Геология Урулюнгуевского рудного района и молибден-урановых месторождений Стрельцовского рудного поля. М.: ЗАО "Геоинформмарк", 1998. - 529 с.

3. Лукин Л.И., Чернышев В.Ф., Кушнарев И.П. Микроструктурный анализ. М.: Наука, 1965. - 124 с.

4. Николаев П.Н. Методика тектонодинамического анализа. М.: Недра, 1992. - 295 с.

5. Петров В.А. Тектонофизические и структурно-петрофизические индикаторы процессов миграции флюидов в разломных зонах и методы из изучения // Современнаятектонофизика: Методы и результаты. В 2-х т. М.: ИФЗ РАН, 2011. - Т. 2 - С. 94-108.

6. Петров В.А., Устинов С.А., Полуэктов В.В., Прокофьев В.Ю. Реконструкция путей и условий миграции рудоносных гидротермальных растворов: структурно-геологический и термобарогеохимический подход // Вестник РФФИ. - 2013. - № 1. - С. 27-33.

7. Полуэктов В.В., Петров В.А., Прокофьев В.Ю., Устинов С.А., Андреева О.В., Щукин С.И. Этапы метаморфических, метасоматических и деформационных преобразований флюидопроводящих пород Стрельцовской кальдеры, ЮВ Забайкалье // Материалы четырнадцатой международной конференции "Физико-химические и петрофизические исследования в науках о Земле". - М.: ИГЕМ РАН. 2013. - С. 261-264.

8. Устинов С.А. Влияние неоднородности поля напряжений-деформаций на миграцию флюидов в разломных зонах (на примере месторождения Антей, Юго-Восточное Забайкалье): Диссертация на соискание степени канд. геол.-минер. наук. - М.: ИГЕМ РАН, 2016. - 183 с.

9. Устинов С.А., Петров В.А., Полуэктов В.В. Использование планарных систем флюидных включений в структурно-геологических исследованиях гидротермальных месторождений (на примере месторождения Антей) // Известия высших учебных заведений. Геология и разведка. - № 1. - 2014. - С. 36-41.

10. Устинов С.А., Петров В.А. Применение ГИС-технологий для микроструктурного анализа в геологии // Геоинформатика. - 2015. - № 2. - С. 33-46.

11. Boullier A.M. Fluid inclusions: tectonic indicators // J. Struct. Geol. - 1999. - № 21. - P. 1229-1235.

12. Lespinasse M. Are fluid inclusion planes useful in structural geology? // J. Struct. Geol. - 1999.- № 21. - P. 1237-1243.

13. Roedder E. Fluid Inclusions // Reviews in Mineralogy. - 1984. - № 12. - 644 p.

14. Smith D.L., Evans B. Diffusional crack healing in quartz // J. Geophys. Res. - 1984.- № 89. - P. 4125-4135.

15. Tuttle O.F. Structural petrology of planes of liquid inclusions // Journal of Geology. - 1949.- № 57. - P. 331-356.

Размещено на Allbest.ru