Геодинамические обстановки формирования месторождений стратегических металлов в Арктической зоне России

Размещено на http://www.allbest.ru/

Геодинамические обстановки формирования месторождений стратегических металлов в Арктической зоне России

А.В. Волков, А.Л. Галямов, К.В. Лобанов, ФГБУН Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН

Приведены результаты изучения методами ГИС-анализа соотношения металлогении с геодинамическими обстановками в Арктической зоне Российской Федерации (АЗРФ), а также обсуждается роль магматизма в тектонической и металлогенической эволюции региона. В основу исследований положена обновленная база данных по Арктике, включающая информацию о размещении более 26 тыс. объектов - рудных и россыпных месторождений, рудопроявлений, точек минерализации, в том числе в России - более 8 тыс. По данным ГИС-анализа, в выступах докембрийского фундамента, террейнах пассивной и активной континентальных окраин размещено практически равное количество объектов (30%), а в коллизионной обстановке - 9% общего количества. Показано, что ареалы распространения разновозрастных гранитоидных интрузий распределены неравномерно, часто образуя совмещенные ассоциации, которые трассируют магмоподводящие каналы. На периферии этих областей развито большое число рудных объектов, в том числе и крупные комплексные месторождения стратегических металлов. ГИС-анализ размещения месторождений в ареалах гранитоидов магнетитовой, ильменитовой и промежуточной серий показывает, что выявленные ранее металлогенические особенности в целом справедливы и для АЗРФ. Месторождения Au, Ag и Cu локализованы в ареалах развития мелового магматизма магнетитовой серии, а минерализация Sn, W Pb и Zn приурочены к ареалам распространения гранитов ильменитовой серии. Полученные результаты чрезвычайно важны для прогнозирования новых месторождений.

Ключевые слова: АЗРФ, геодинамическая обстановка, магматизм, металлогения, база данных, стратегические металлы, крупное месторождение, рудопроявление, прогноз.

Введение

Россия занимает ведущие позиции в мире по добыче основных видов полезных ископаемых и является крупнейшим экспортером минерального сырья. Экономические и геополитические интересы России определяются состоянием минерально-сырьевой базы, воспроизводство которой на современном технологическом уровне является главной задачей геологической отрасли.

Арктическая зона Российской Федерации (АЗРФ) полукольцом охватывает окраину Евразийского континента и многочисленные острова вокруг Северного Ледовитого океана (рис. 1). Арктическая зона занимает около 30% территории России, ее площадь -- более 4 млн км². Здесь сосредоточено значительное количество промышленно значимых месторождений таких стратегически важных элементов, как Au, Ag (Купол, Песчанка, Майское и др.), Cu-Ni-Pt (Норильск, Печенга-Никель и др.), Zr-Nb-REE (Томтор, Ковдор, Ловозеро и др.), алмазы (Архангельская группа, россыпи Анабара и др.), Zn-Pb-Ag (Павловская группа, архипелаг Новая Земля), алювиально-равнинные (Ti- Zr, Sn-W, Au) и прибрежно-морские (Sn-W, Au) россыпи, месторождения несогласия (U) и др. [1; 2].

Перспективы прироста запасов по многим видам стратегического минерального сырья также связаны с АЗРФ.

Недостатки современной системы геологических прогнозов в первую очередь затронули малоосвоенные, труднодоступные районы АЗРФ, обладающие значительными потенциальными ресурсами стратегических видов минерального сырья [1; 2]. В связи с сокращением финансирования и квалифицированных кадров научно-исследовательские и прогнознопоисковые геолого-разведочные работы в арктических регионах были практически свернуты.

В статье обсуждаются результаты изучения методами ГИС -- геодинамических обстановок формирования крупных месторождений стратегических металлов в АЗРФ. Важная роль в исследованиях отводилась выяснению геодинамической природы магматизма, его места в тектонической эволюции региона. В рамках решения главной задачи подготовлен ГИС-проект, включающий картографический материал и обновленную базу данных (БД) по отечественным и зарубежным месторождениям Арктики.

Рис. 1. Схематическая карта плотности верхней мантии [3] и распределения основных месторождений и перспективных рудопроявлений стратегических металлов в Арктике

Выполнен пространственно-статистический ГИС-анализ соотношения металлогении с геодинамическими обстановками АЗРФ. Изучено распределение месторождений и рудопроявлений стратегических металлов в ареалах разновозрастного базитового, гранитоидного и субщелочного магматизма в АЗРФ. Магматический ареал в авторском понимании включает кроме оконтуренных на карте площадей собственно интрузивных массивов также стратифицированные, метасоматические измененные вмещающие породы их рамы, занимающие на порядок большую площадь.

Для проведения ГИС-анализа применялись известные методические приемы, заложенные в аналитический аппарат ARCMAP, MAPINFO и других картографических математико-аналитических систем. Наиболее эффективными показали себя устоявшиеся методы выявления и оценки пространственных связей (растровой алгебры, нечеткой логики, вероятностного анализа и др.).

Публикация подготовлена в рамках проекта РФФИ (№ 18-05-70001) и продолжает серию статей Института геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН, посвященных минеральным ресурсам Арктики.

Информационная база данных месторождений и рудопроявлений стратегических металлов Арктики

В 2018-2019 гг. была существенно дополнена пространственная база данных рудных и экзогенных месторождений благородных, цветных и редких, а также редкоземельных и радиоактивных металлов Арктики. Исходный материал -- открытые источники глобальных и локальных баз данных, размещенные на сайтах геологических служб Европы, США и других стран, корпоративных и волонтерских сетей, а также результаты геологического изучения за счет средств федерального бюджета на территории России (см. рис. 1).

В итоге БД по Арктике включает информацию о размещении более 26 тыс. объектов -- рудных и россыпных месторождений, рудопроявлений, точек минерализации, в том числе в России -- более 8 тыс. Среди объектов благородных металлов (Au, Ag, Pt, Pd) в БД насчитывается около 400 месторождений, в том числе 33 крупных. Cu -- около 4000 объектов, из них более 350 месторождений, 7 крупных; Pb-Zn -- более 1000 объектов, 200 месторождений, в том числе 9 крупных. Объектов (Ni, Al, Ti, Sn, Sb, W, Mo) более 3000, среди них около 300 месторождений, 6 крупных. Черные металлы (Fe, Mn, Cr) представлены более чем 1000 объектов, среди которых более 200 месторождений, включая 9 крупных. Среди проявлений (около 450) редких металлов (Sc, Y, Zr, РЗЭ и др.) к месторождениям относятся 74 объекта, 3 крупных. Объектов радиоактивных металлов (U, Th) -- более 500, включая 47 месторождений.

Атрибутивная таблица БД содержит более 70 граф и включает помимо координат объектов данные об их географической и административной принадлежности, основных и сопутствующих полезных компонентах, их содержании в рудах, запасах и прогнозных ресурсах, степени освоенности, геологическом строении, форме и составе рудных тел, характере метасоматических околорудных изменений, а также информацию о собственнике. БД через координатную систему связана с бесшовной цифровой геологической картой, масштаб которой варьирует от 1:2 500 000 до 1:50 000 в зависимости от тематики включенных в базу данных слоев.

В составе имеющейся в БД геологической основы континентальной Арктики, прилегающего шельфа и островов представлены докембрийские, палеозойские и мезокайнозойские породные комплексы и магматические образования разнообразного состава и возраста, а также их отдельные характеристики (редокс-параметры и др.).

С появлением в открытых источниках новых материалов при более детальной обработке пространственных геологических данных и использовании новых методик анализа базовые и вспомогательные таблицы БД находятся в постоянном обновлении в соответствии с целями и задачами проекта.

Литосфера АЗРФ, сформированная в ходе нескольких суперконтинентальных циклов, включает древние щиты (Балтийский, Анабарский), перекрывающие их позднедокембрийский и палеозойский платформенные чехлы, складчатые орогенные пояса (Каледонский, Уральский, Таймырский, Тиманский, Верхояно-Чукотский), разделяющие древние платформы (Восточно-Европейскую, Сибирскую и Северо-Американскую), внутриплитные магматические провинции различных эпох от раннего докембрия до кайнозоя и мезозойские вулканогенные пояса Олойский (ОВП), Уяндино-Ясаченский, Удско-Мургальский (УМВП) и Охотско-Чукотский (ОЧВП).

Глубокая история Арктики затрагивает малоизученные события, такие как эволюция континентальных частей Арктиды [4]. Согласно опубликованной модели Арктида представляет собой мозаику докембрийских блоков, которые перегруппировывались по крайней мере дважды в связи с эволюцией Родинии и Пангеи -- 1250 млн лет назад. С последним этапом связаны формирование в пермто-триасовое время Уральского пояса, Предуральского и Верхоянского бассейнов, заложение рифтогенных прогибов в Западной Сибири, а также периокеанические структуры Верхояно-Чукотского складчатого пояса, трапповый магматизм на Сибирской платформе, в Западной Сибири, на Таймыре и Карском море.

Геодинамические обстановки развития литосферы на западном и восточном флангах российской Арктики заметно отличались друг от друга. По представлениям Л.М. Парфенова [5], на северо-востоке России пассивные и активные континентальные окраины с островными дугами существовали начиная с рифея. Позднее в этом регионе Евразии происходила длительная кратонизация, которая завершилась лишь в позднем мезозое. Следует отметить, что эта группа геодинамических обстановок принадлежит Тихоокеанскому рудному поясу (см. рис. 1). К геодинамическим обстановкам западной части АЗРФ в докембрийских щитах и на их периферии относятся:

1. Континентальные рифты, крупные изверженные провинции. Именно в этой обстановке формируются сульфидный Ni-Cu, Ni-Cu-Co и Ni-Cu-PGE, хромититовый, оксидный Fe-Ti-V с магнетитом минеральные типы месторождений Норильского рудного района и Карело-Кольского региона.

2. С обстановкой внутриплитного щелочно-гранитоидного магматизма связаны кимберлитовый и лампроитовый алмазоносный, апатит-магнетит-РЗЭ-редкометалльный карбонатитовый, апатит-нефелиновый РЗЭ-редкометалльный в расслоенных щелочных интрузиях минеральные типы крупных месторождений Балтийского и Анабарского докембрийских щитов.

3. В обстановках пассивной континентальной окраины, осадочных бассейнов и рифтогенных прогибах образовались стратиформные месторождения MVT- и SEDEX-типов, Cu-Co-Ag-песчаники и сланцы (Пай-Хой, Новая Земля, Полярный Урал), U-типа несогласия (Анабарский щит).

4. В зеленокаменных поясах Балтийского и Анабарского щитов формировались месторождения золота орогенного типа, Ni-Cu-PGE и колчеданно-полиметаллические, золотоносные конгломераты, редкометалльные пегматиты и железистые кварциты.

Геодинамические обстановки восточной части АЗРФ представлены:

1. Островодужными террейнами и окраинно-континентальными вулканическими поясами, зонами постоорогенной тектоно-магматической активизации. В этих обстановках формируются месторождения Cu-Mo-Au-, Cu-Mo- и Cu-Au-порфирового, Au-Ag-, Ag-Zn-Pb- и Au-Cu-эпитермального, Cu-Au- и Zn-Pb- Ag скарнового типов Чукотки.

2. Срединно-океаническими хребтами (СОХ), островодужными поясами, рифтогенными прогибами с медно-колчеданными (VHMS) и колчеданно-полиметаллическими типами месторождений (Полярный Урал, Майницкий террейн, северная Корякия).

3. Коллизионно-аккреционными террейнами пассивной континентальной окраины, областями орогенного и посторогенного магматизма. С этой обстановкой связаны: золото-кварцевый жильный, золото-сульфидно-кварцевый штокверковый, золото-сульфидный вкрапленный, грейзеновый Sn-W-F, Sn-сульфидный, Ta-Nb-Li-Be пегматитовый, Mo- порфировый, Mo-U гидротермальный, Au связанные с интрузивами гранитоидов, Zn-Pb-Ag-жильный типы месторождений. В коллизионных швах локализуются амагматичные Hg, Au-Sb-Hg и Au-Sb месторождения (северо-восток Якутии, западная и центральная Чукотка).

4. Задуговыми бассейнами, областями анорогенного гранитоидного магматизма, вмещающими крупные железо-оксидно-медно-золоторудные месторождения (IOCG-типа). Прогнозируются на северо-востоке Якутии и Чукотке.

Выделенные в АЗРФ геодинамические обстановки характеризуются различными по геохимическому составу гранитоидами [6]. В субдукционных обстановках формируются граниты М- и I-типов. Причем граниты М-типа встречаются в офиолитах, а I-типа -- в островодужных террейнах. С внутриплитными обстановками связаны граниты А-типа, которые по сравнению с М- и I-типами обогащены РЗЭ и HFSE Высокопрочными элементами.; Nb минимум отсутствует (щелочные граниты) или слабее проявлен. К гранитам I-типа, происходящим из магматического субстрата, относят кварцевые диориты, тоналиты, плагиограниты, гранодиориты и редко лейкограниты. Образование гранитов этого типа связывают с процессом кристаллизационной дифференциации островодужных базальтовых расплавов и плавления вулканогенно-осадочного субстрата аккреционных призм в активную фазу субдукции. В коллизионных обстановках магматические породы представлены главным образом известково-щелочными гранитными плутонами. Синколлизионные граниты -- это обычно лейкограниты S-типа, тогда как постколлизионные граниты представлены главным образом I- и А- типами. Граниты S-типа, преимущественно нормальные и субщелочные натрий-калиевые граниты и лейкограниты, источником которых считают седиментогенные блоки литосферы, приурочены к коллизионным обстановкам вследствие разогрева утолщенной коры либо переплавления осадочного материала под действием надсубдукционных мафических магм. A-тип анарогенных гранитов представлен безводными и щелочными породами, по составу варьирующими от кварцевых сиенитов до щелочных гранитов. Граниты этого типа часто образуют кольцевые плутоны, для них типично высокое содержание галогенов, особенно фтора, с которыми часто ассоциируют вольфрамово-оловянные и железо-оксидно-медно-золотые руды [7].

Пространственно-статистический анализ соотношения металлогении с геодинамическими обстановками

Схематическая карта (см. рис. 1), составленная на основе ГИС, наглядно подчеркивает, что большинство месторождений и перспективных рудопроявлений стратегических металлов в АЗРФ (около 70%) находится над областями верхней мантии с относительно низкой плотностью, которые характеризуются также повышенным термальным режимом [8], и связано с геодинамическими обстановками северо-западного отрезка Тихоокеанского рудного пояса [9]. Главные особенности неоднородной плотности верхней мантии обусловлены взаимодействием плит на фоне глобальной мантийной тепловой и вещественной конвекции [10]. Наиболее ярко связь гравитации и плотности присущи веществу океанической коры, где гравитационные аномалии пространственно прямо коррелируют с плотностью вмещающих пород; вместе с тем, по данным сейсмотомографии, их контрастность ослабевает с увеличением глубины поверхности Мохо [10].

По данным ГИС-анализа базы пространственных данных АЗРФ, в докембрийских комплексах в основном Балтийского щита размещается около 30% месторождений стратегических металлов (рис. 2). Важное место по числу месторождений в базе данных (30%) занимают ареалы пассивной континентальной окраины и зоны континентальных и субконтинентальных рифтогенных прогибов. Здесь преобладают месторождения цветных и благородных металлов, расположенные на пассивной окраине Сибирской платформы и в рифтогенных комплексах Среднего Урала.

В геодинамических обстановках Тихоокеанского рудного пояса (в террейнах пассивной и активной континентальной окраины, включая островные дуги) залегает еще около 30% месторождений. Причем объектов в пределах террейнов пассивной восточной окраины Сибирского кратона месторождений несколько больше, чем в зоне влияния ОЧВП и в островодужных комплексах Корякии. В коллизионных обстановках на Урале и Верхоянье преобладают проявления благородных и цветных металлов (9%). При этом в участках, где потстколлизионная тектоно- магматическая активизация наложена на терейны активной окраины, кроме благороднометалльной и медно-порфировой минерализации отмечается повышенное количество железорудных объектов, преимущественно скарнового типа.

Кайнозойские образования распространены на 30% площади АЗРФ. На остальной территории АЗРФ магматические образования занимают чуть более 5% площади, и к ним приурочено более 20% рудных месторождений и проявлений. Ареалы интрузивных массивов занимают более 17% площади, и к ним приурочено более 40% рудных объектов.

Рис. 2. Соотношение количества месторождений благородных, цветных, редких, черных и радиоактивных металлов в различных геодинамических обстановках Арктики (в том числе АЗРФ)

Пространственно-статистический анализ магматизма и металлогении в Арктической зоне России

Магматизм наиболее широко проявлен в северо-восточной части АЗРФ, охватывая ареалы ОВП, УМВП и ОЧВП, а также докембрийские щиты и их обрамление (рис. 3). В западной части протерозойский и вендский магматизм связан с древними структурами Балтийского щита. В центральной части палеозойский магматизм развит на Таймыре и Полярном Урале, Анабарском щите и его обрамлении.

Статистический площадной анализ распределения магматических формаций показывает, что среди них в АЗРФ преобладают гранитоидные формации в основном кислого и среднего состава (по 2% площади Арктический зоны). Интрузивные формации основного и ультраосновного состава занимают около 1% площади. Если добавить к площади интрузивных массивов ареалы измененных пород, то получим иные соотношения. В таком случае ареалы гранитоидных интрузий кислого и среднего состава и сопровождающих их измененных вмещающих пород составят более 50% и 62% площади АЗРФ соответственно.

Рис. 3. Распространение ареалов магматических формаций в АЗРФ

Наиболее широко в этих ареалах представлены гранитоиды позднемезозойского возраста, распространенные в пределах ОЧВП и Олойского вулканического пояса, батолиты «Колымской петли» и интрузивные массивы докембрийского возраста Балтийского и Анабарского щитов и их обрамления. За гранитоидными следуют ареалы базит-ультра- базитовых интрузий (около 23%) Чукотки, Таймыра и Балтийского щита, а менее всего представлены щелочные и субщелочные гранитоиды (около 15%).

Ареалы проявления базитового магматизма в АЗРФ представлены крупными магматическими провинциями, формировавшимися на периферии Восточно-Европейской платформы и на Таймыре (рис. 4). Широко известна пермотриасовая провинция, связанная с Сибирским суперплюмом [11], в которой развиты никеленосные и платиноносные ультрабазит-базитовые комплексы (Норильский и Маймеча-Котуйский).

Мезозойский и кайнозойский плюмовый вулканизм в Арктике представлен тремя возрастными группами [11]: (1) позднепермские-раннетриасовые траппы от Пай-Хоя и Карского моря до Таймыра и северной части Сибирской платформы, на Новосибирских островах и на Чукотке; (2) провинции и ареалы юрско-мелового магматизма в Центральной Арктике, включая Баренцевоморский и Северо-Гренландский ареал в хребте Альфа и поднятии Менделеева и небольшой ареал островов Де Лонга (Новосибирские острова); (3) позднекайнозойские базальтоиды в Центральной и Восточной Арктике.

Периодичность плюмового магматизма, находящаяся в антифазе с субдукционным магматизмом, -- главный генератор, запускающий магматизм в АЗРФ. Усиление плюмовой активности «разгоняет» конвекцию в астеносфере и с запаздыванием усиливает интенсивность субдукционного магматизма.

Рис. 4. Распространение ареалов базит-ультрабазитовых формаций в АЗРФ

Рис. 5. Распространение ареалов гранитоидных формаций в АЗРФ

Широкие ареалы распространения гранитоидных интрузий, как отмечалось выше, известны на Балтийском и Анабарском щитах, Полярном Урале и Таймыре, а также на северо-востоке России (рис. 3 и 5). По времени формирования они группируются в архей-протерозойских (Балтийский и Анабарский щиты), рифей-фанерозойских (Полярный Урал и Таймыр) и мезозойских (северо-восток России) литосферных блоках с различной металлогенией.

Ареалы распространения разновозрастных гранитоидных интрузий распределены неравномерно, часто перекрывая или дополняя друг друга (рис. 6). В Чукотском регионе такие совмещенные ареалы размещаются главным образом во внутренней зоне ОЧВП. Они приурочены к участкам наиболее мощной литосферы центральной и восточной Чукотки [2].

Рассмотрим в качестве примера Танюрерский плутон, расположенный на границе между Центрально-Чукотским сектором и Восточной фланговой зоной ОЧВП. Плутон имеет сложное строение и включает образования трех интрузивных комплексов раннего и позднего мела. Структурные взаимоотношения магматических пород в его пределах указывают на существование несколько интрузивных фаз от габброидов до лейкогранитов. Большую часть плутона слагают среднезернистые гранодиориты. В этих породах массива часто встречаются меланократовые включения от габбро до монцонитов, что может указывать на захват глубинных ксенолитов основного состава или на смешение магм основного и кислого составов. По петрографическим и геохимическим особенностям породы плутона соответствуют гранитам I-типа, имеющим смешанный корово-мантийный источник магм. При этом геохимические особенности пород указывают на связь Танюрерских гранитоидов с надсубдукционной обстановкой [12]. В целом же геохимические характеристики плутона свидетельствуют о магматических источниках в верхней континентальной коре. Формирование подобных плутонов маркирует трансформные магмоподводящие каналы [12].

Рис. 6. Совмещенные ареалы разновозрастных гранитоидов в АЗРФ

Литература

1. Бортников Н.С., Лобанов К.В., Волков А.В. и др. Месторождения стратегических металлов Арктической зоны // Геология руд. месторождений. -- 2015. -- Т. 57, № 6. -- С. 479--500.

2. Галямов А.Л., Волков А.В., Лобанов К.В. и др. Перспективы выявления месторождений стратегических металлов в арктической зоне России // Арктика: экология и экономика. -- 2017. -- № 1 (25). -- С. 59--74.

3. Bouman J. Ebbing J., Meekes S. et al. GOCE gravity gradient data for lithospheric model-ing. Int. J. Appl. Earth Obs. Geoinform, 2015, vol. 35, рр. 16--30.

4. Metelkin D.V., Vernikovsky V.A., Matushkin N. Yu. Arc- tida between Rodinia and Pangea // Precambrian Research, 2015, vol. 259, рр. 114--129.

5. Парфенов Л.М. Континентальные окраины и островные дуги мезозоид северо-востока Азии. -- Новосибирск: Наука, 1984. -- 192 с.

6. Dobretsov N.L., Egorov A., Karyakin Yu.V. et al. Mesozoic-Cenozoic volcanism and geodynamic events in the Central and Eastern Arctic. Russian Geology and Geophysics, 2013, vol. 54, no. 8, pp. 874--887.

7. Chappell B. W., White A.J.R. Granitoid types and their distribution in the Lachlan Fold Belt, southeastern Australia. Geological Society of America Memoirs, 1983, vol. 159, рр. 21--37.

8. Cammarano F., Guerri M. Global thermal models of the lithosphere. Geophys. J. Int. 2017, vol. 210, pp. 56--72.

9. Волков А.В., Сидоров А.А., Галямов А. Л. и др. Вопросы глобальной металлогенической зональности Тихоокеанского рудного пояса: выводы для про- гнозно-металлогенических исследований на Востоке России // Отечеств. геология. -- 2018. -- № 4. -- С. 18--25.

10. Tenzer R., Bagherbandi M., Gladkikh V. Signature of the upper mantle density structure in the refined gravity data. Comput. Geosci, 2012, 16, pp. 975--986.

11. Демина Л.И., Захаров В.С., Промыслова М.Ю. и др. Соотношение коллизионного и траппового магматизма Таймыра по геологическим данным и результатам моделирования // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 4. Геология. -- 2018. -- № 1. -- С. 16--25.

12. Алексеев В.И. Литий-фтористые граниты Дальнего Востока (петрология, минералогия, рудоносность): Автореф. дис. ... д-ра геол.-минералог. наук. -- СПб., 2015. -- 40 с.

13. Галямов А.Л., Волков А.В., Сидоров А.А. Золоторудные месторождения и меловой гранитоидный магматизм Чукотки // Арктика: экология и экономика. -- 2018. -- № 1 (29). -- С. 104--115.

14. Ishihara S. The Magnetite-Series and Ilmenite-Series Granitic Rocks. Mining Geology, 1977. vol. 27, pp. 293--305.

15. Кигай И.Н. Редокс-проблемы «Металлогенической специализации» магматитов и гидротермального рудообразования // Петрология. -- 2011. -- Т. 19, № 3. -- С. 316--334.

Размещено на Allbest.ru