Введение к работе
Актуальность и цель работы. Меднопорфировое месторождение Туншанькоу принадлежит к числу пояса железных и медных месторождений среднего и нижнего течения реки Янцзы. Пояс этих месторождений является одним из самых важных сырьевых баз цветных металлов Китая. В атом районе во второй половине XX в. было открыто и разведано много средних и несколько крупных месторождений.
Одной из актуальнейших проблем горнорудного комбината Туншанькоу, возникшей в связи с большей потребностью государства в производстве меда, является дальнейшее увеличение перспективных запасов медных руд месторождения Туншанькоу.
Однако в этом районе приповерхностные месторождения уже все открыты. Трудность глубинных поисков и разведки все больше увеличивается. Поэтому требуются дальнейшие исследования основных черт геологического строения структуры, закономерностей распределения рудных тел и факторов, контролирущих рудообразованяе, чтобы получить данные локального прогноза перспективного запаса руд. Диссертация нацелена на расшифровку геологической структуры и закономерностей распределения рудной минерализации с использованием петрофизяческих методов изучения условий ее формирования и факторов локализации оруденения, которые могли служить основой дальнейшего локального прогноза.
Фактическая основа и методика исследования. Фактический материал, положенный в основу диссертации, получен автором в результате полевых и лабораторных исследований 1990-1994 гг. В течение этого периода было проведено два полевых сезона 1990 г. и 1991г. На рудном поле месторождения Туншанькоу автор документировал скважины и коренные обнажения, проводил геологические маршруты, отбирал ориентированные пробы для сгруктурно-петрофизического анализа.
В лабораторных условиях для 60 образцов определялся комплекс физико-механических свойств. Для 36 ориентированных образцов из поверхностных обнажений была построены круговые диаграммы и определены древние и современные лалеотектоняческие поля напряжений. В работе широко использовались опубликованные и фондовые материалы; часть материалов для систематизации передана Юго-восточной геологоразведочной экспедиции провинции Хубэй. При обработке данных использовались статистические программы в лаборатории математической геологии кафедры полезных ископаемых геологического факультета МГУ.
Научная новизна и практическая ценность работы. В диссертационной работе исследовано месторождение Туншанькоу, относящееся к сложному полигенному и полихронному типу. Здесь в зоне экзо- и эндоконтактов штока юрско-меловых гранодаоритовых порфиров выделяются тела медно-молибденозых руд. В эндоконтактах располагаются вкрапленные и штокверковые залежи, а в экзоконтактах в триасовых мраморах развиты скарново-рудные даопсид-гранатовые рудные килы и тела неправильной формы. Формирование руд протекало на заключительных этапах становления интрузивного комплекса и контролировалось процессами литостатической разгрузки. В работе впервые для мезозойских магмагогенных медно-молибден-порфировых рудоносных систем выделены и изучены петрофизические и геодинамические факторы контроля оруденения. Практическая значимость диссертации заключается в том, что впервые предложенные факторы контроля оруденения позволяют дать прогнозную оценку для многочисленных интрузивных тел в металлогенической провинции бассейна среднего и нижнего течения реки Янцзы.
Основные, выводы диссертации обоснованы большим количеством полевых и лабораторных материалов.
- о -
Апробация работы. Ло теме кандидатской диссертация опубликована научная статья, сделаны доклады на конференциях молодых ученых (МГУ, 1992,1993,1994 гг.). Результаты научных исследований обсуждались с учеными Геологического факультета МГУ, ИГЕМ, ВДИГРИ и других организаций.
Объем работы. Диссертация состоит из трех разделов, введения
я заключения. Общий ее объем страниц, из которых
страниц машинописного текста. Работа содержит таблицы, диаграммы,
рисунки и фотографии. В списке литературы наименований.
Основные защищаемые положения
-
Месторождение Туншанькоу относится к медно-молибденпорфи-ровому типу и расположено в западной части синклинория Янцзы. Рудные тела приурочены к эндо- и экзоконтактам юрско-мелового склоняющегося в восточном направлении штока гранодиоритпорфирового и кварц-монцонитового состава, прорывающего толщу триасовых карбонатных пород (доломитов, известняков, мраморов).
-
Особенностью формирования месторождения является тесное сочетание скарновых и высокотемпературных плутоногенных гидротермальных процессов. В эндоконтактах штока преобладает медно-порфаро-вое, а в экзоконтакгах - типичное медное магнезиально-скарново-жильное оруденение. Основная масса руд образует почти сплошное тело в форме усеченного конуса на контакте интрузивных пород с доломитовыми мраморами. Кроме того, внутри штока выделяются многочисленные мелкие линзе—, пласто- и штокообразные тела вкрапленных медных и молибденовых руд, а во вмещающих мраморах как метасомати-ческие залежи, так и отдельные жилы и жильные штокверковые' зоны.
-
В истории формирования месторождения выделяются два главных этапа - прототектонический и постмагматический. С первым этапом связано внедрение интрузивного комплекса в Яншаньскую эпоху
(153-127 млн.л) в триасовые отложения, испытавшие четыре фазы складчатости, образование црототектоническах структур внутри интрузивного штока и сопутствующих ддзъшктявов во вмещающих мраморах. Второй этап протекал в режиме литоотатической разгрузки; сопровождался полястадайной флюидной постмагыатической деятельностью; формированием метасоматической зональности: филлизитовые, кварц-серяцитовые я пропилитовые зоны а рудообразованиеы.
Для первого этапа характерно палеотектоническое поле напряжений с вертякалъно-оряентярованной позицией 5 з и горизонтальной и наклонной q 2 и
4. Установлен отчетливый структурно-петрофизический контроль оруденендя. Ведущую роль в формировании рудовмещащего структурного парагенезиса играли две резко контрастные по физико-механическим свойствам группы пород: карбонатная (доломиты, известняки, мраморы) и интрузивная (диориты, граноддориты, кварцевые монцони-ты и др.). Для карбонатной группы характерны повышенные упруго-прочностные свойства (Е = 7,15 Ю4 МПа, Тв = 163 НВ, Є = 435 К, Кпк = -0,73) по сравнению с породами интрузивной группы (Е = 5,8 Ю4 МПа/ Тв = 135 НЗ, & = 403 К, Кпк = -0,20). Это различие привело к возникновению на границе таких контрастных петрофи-зических сред трещинно-брекчиевых зон, контролировавших движение рудоносных флюидных потоков. В свою очередь эти потоки энергично метасоматически перерабатывали как интрузивные, так и осадочные
породы. В результате формировались оруденелые блоки отличающихся от вмещающих слабоминерализованных пород повышенной плотностью и упругостью (Е = 7,25 Ю4 МПа, 6 =438 К, Кпк = -0,83). На зсех стадиях рудного процесса они были весьма хрупкими (Тв = 115 НВ) а неоднородными (коэффициент неоднородности Кн = 0,28) образованиями.
Практически все рудные тела локализованы в пределах зоны, оконтуренной изолиниями 150 НВ. Для руд характерны минимальные значения твердости ( 115 НВ) и максимально высокие величины температур Дебая (438 К), модуля упругости (Е = 7,25 Ю4 МПа) и Как (-0,83).
Методика исследований
При изучении геологического строения месторождения Тушань-коу были использованы основные принципы и методы картирования, изложенные в работах Г.Ф.Яковлева, В.И.Старостина, В.В.Авдонина и др. Особое внимание уделялось изучению разрывных структур, трещинной тектонике, соотношениям этих структурных элементов с рудной минерализацией. В результате проведенных исследований была уточнена геологическая карта, составлены разрезы к ней и даны новые схемы реконструкций эволюции геологической структуры.
Одним из главных методических приемов, использованных в процессе изучения месторождения, была методика структурно-петрофи-зического анализа.
Структурно-петрофизический анализ (СНА) - учение о строении, физических и механических свойствах горных пород и руд и палеоте-ктонических условиях их формирования. Этот метод реконструкции петрофязической обстановки и палеотектонических полей напряжения разномасштабных геологических структур на различных этапах их образования разработан В.И.Старостиным (1978,1988,1990). Он базиру-
ется на изучении физико-механических свойств, генетических типов анизотропии упруго-прочностных параметров и взаимосвязи пегрофи-заческих характеристик с геохимическими, минералогическими и ли-тологяческима свойствами кристаллов, мономинеральных агрегатов и полишшеральных пород.
Основой анализа является теоретически установленная и экспериментально доказанная взаимосвязь структуры твердых тел (кристаллических и аморфных) с их физическими и механическими характеристиками. Эта связь устанавливается и в кристаллах, и в мономинеральных агрегатах и в полиминеральных породах.
В кристаллах анизотропия упругих, прочностных и пьезоэлектрических свойств полностью соответствует анизотропии кристаллической решетки. Наиболее полно это исследовано на кристаллах силикатных и карбонатных минералов. Развитие двойников роста и внутренние дефекты кристаллов понижают абсолютные значения всех отмеченных выше свойств. В кристаллах, имекщих зональное строение в зависимости от наличия элементов-примесей, газовс-жидких включений, развития деформационных лаїлелей и других дефектов, колебания упругих свойств составляют 0-15, а пьезоэлектрических - O-ir^ICr %.
В аморфных образованиях (халцедоне, вулканических стеклах, колломорфных выделениях сфалерита, марказита и других минералов) анизотропию физико-механических свойств определяют неоднородности строения, флюидальные, ликвационные и деформационные текстуры и структуры, колломорфяая полосчатость, наличие газово-жидких включений, присутствие пепловых и пылевидных частичек, неравномерное распределение второстепенных и примесных элементов и их соединений. Пределы колебаний значений анизотропии свойств в аморфных твердых телах (в %): упругих - 0-20, пьезоэлектрических - O-ir^Hr, прочностных - 0-200, фильтрационных -
В поляминеральных горных породах петрофизические характеристики зависят от процентного соотношения различных минеральных видов, слагающих породу; размеров зерен я характера связи между ними; наличия межзерновых и знутризерновых дислокаций; текстурно-структурного облика и степени вторичных преобразований породы.
Наиболее информативными при CDA являются три группы физико-механических свойств: упруго-прочностная, шготностная и фильтрационная. Упруго-прочностная включает свойства, влияющие на формирование геологических структур: скорости продольных ]/ _, поперечных V& ультразвуковых золн, коэффициент Пуассона М , модуль Юнга Е, модуль сдвига & , твердость Тв, прочность на сжатие Рож, температура Дебая G и др.
Плотностная группа свойств - одна из фундаментальных характеристик твердого, жидкого и газообразного вещества, слагающего земную кору. Именно плотность контролирует явления гравитационной дифференциации магматического расплава, процессы соляной тектоники, динамику образования структур гравитационного оползания и влияет на ход многих других геологических процессов. В эту группу входят: плотность Q , объемная масса V0(j> удельный вес ^ , коэффициенты петрохимического Kj^. и температурного ICp разуплотнения вещества.
Фильтрационная группа контролирует масштабы и динамику течения гидротермальных и гидротермально-пневматшитовых процессов и включает: пористость П (общую nocS, эффективную ПЭ(, дифференцированную IL.), условно-мгновенное насыщение А, постоянную насыщения В и проницаемость Пр. Методика определения всех перечисленных свойств подробно описана во многих руководствах (Старостин, 1975,1990,1994).
Анизотропия физико-механических свойств возникла в тверда телах, слагающих земную кору, на разных этапах их эзолюционног развития; выделяются четыре ее основных генетических типа: нал ряженного состояния, сингенетической (петроструктурный), пласт чески-деформационный (пластического течения) я хрупкодеформаци ный (кляважно-брекчиевый).
Анизотропия напряденного состояния появляется в твердых по дах только в период приложения к ним силовых воздействий (сил вого поля). Это может быть нагрузка вышележащих толщ, давление ремещаодегося блока пород, внедряющегося магматического распла или протрузии. После снятия нагрузки анизотропия исчезает.
Ее масштабы можно оценить экспериментально по деформирован образцов пород и руд с помощью прессов и камер для высокого д ления, а также по натурным измерениям на глубоких горизонтах р ников, в туннелях и глубоких скважинах. Абсолютные значения со ременных сжимаыцих напряжений в верхней часта земной коры дост гаюг 30-50 МПа. Часто абсолютные значения горизонтальных напр жений превосходят вертикальные в 1,5-2 раза. При экспериментах возникает анизотропия напряженного состояния для упругих свойс при нагрузках, не превышающих предела упругости, т.е. во всем тервале, где действует закон Гука.
Сингенетическая анизотропия возникает в момент формировани твердого тела: в магматических породах - при их раскристаллиза ции (или затвердевания для стекол) из расплава; в осадочных -процессе седиментации; в метаморфических - либо при полной пе кристаллизации, либо при кристаллизации из метаморфогенного pa лава. Она определяется термодинамическими условиями образовали исследуемых твердых тел. В обстановке поверхностных и приповер ностных горизонтов земной коры большое влияние на ее формирова
- a -
оказываю гравитационные силы. В глубинных зонах (в катазоне) определяющее значение имеет неоднородное силовое поле, создающее разномасштабные складки пластического течения. В магматических телах абиссальной, гипабяссальной и поверхностной фаций существенное влияние при формирования анизотропии различных физико-механических свойств оказащ динамика становления магматических комплексов, региональные поля напряжений, особенности процессов затвердевания, стадийность формирования крупных плутонов я внутренняя динамика развития отдельных комплексов.
Для последнего случая можно отметить, что на ранних стадиях становления комплексов существует равномерное давление на вмещающие породы по всему периметру интрузий. После затвердевания внешнего каркаса продолжающееся давление магматического расплава создает иную тектоническую обстановку: главные сжимающие усилия концентрируются в апикальной части массива. В последующие стадии, когда доступ магмы прекращается, механизм поперечного изгиба перестает функционировать, возникает обстановка растяжения за счет сокращения на 5-105? объема магматического тела при его затвердевании и удалении флюидной составляющей. В результате всех отмечешшх процессов в породах формируются ориентированные текстуры и структуры, традиционно называемые прототектоническими. Комплексный петрофизи-ческий анализ позволяет разделить их по стадиям процесса и выделить ранне-, средне- и позднепрототектонические элементы общей структуры.
Следующие два типа анизотропии связаны с деформационными процессами. Один обусловлен пластическим течением вещества, а другой хрупким разрушением твердого тела.
Пластическо-деформационный тип анизотропии возникает в твердых телах при их преобразованиях в двух геологических ситуациях:
в приповерхностном и поверхностном горизонтах земной коры И НЕ глубинах в мезозоне. Для первой характерны низкие давления й те мпературы; влияние на деформационные процессы гравитавдонньк сі и перемещение вещества в водонасыщенном состоянии. Типичные ctj ктуры в этих условиях - складки оползания и выдавливания. Возш кают ориентированные в соответствии с характером течения вещее: текстуры пород и руд. Б них доминируют плоскостное, линейное и мбинированное расположение частиц. Подобное строение отражаете; в анизотропии фазико-механических свойств лород я руд.
Отличие анизотропии данного типа от рассмотренной ранее сиі генетичной заключается в том, что и текстурно-структурный облиі пород, и их анизотропия возникают позже образования пород, по< процессов диагенеза, в иной палеотектонической обстановке. Приї рами могут служить соляные даапиры, деформированные т-ерригенно карбонатные тонкослоистые породы.
Пластическо-деформационяый тип возникает часто в зонах шов: складчатости, в мезозое. Здесь он вызван кливажным течением ве: ства. Отличие этого типа от сингенетичного метаморфического со ит в степени преобразования пород. Если в метаморфических обра ваниях полностью отсутствуют структурные элементы и петрофизи ские параметры исходных осадочных или магматических образованя то при пластически-дефармирозанном типе всегда присутствуют ре товые текстуры и структуры материнских пород. Ориентировка зер породы при этом образует две системы: связанную с реликтами и исходного расположения и новообразованную, возникшую под влияї термоданашчес.сих процессов мезозоны.
Хрупко-деформационный тип анизотропии вызван развитием в твердых телах микротрещин и зокок катаклаза. Он характеризует приповерхностные деформации и развит в породах с низкими значс ниями коэффициента Пуассона. С повышением температуры процесс;
- II -
ірекристаллизации вещества обычно приводят к релаксации напря-іний и таким образом препятствуют образованию микротрещин. Наи-ілее благоприятными условиями для появления анизотропии этого іпа являются достаточно сильные, но кратковременные тектоничес-іе напряжения, отсутствие нагретых флюидных потоков и кварцево-уіевошпатовнй состав деформируемых пород.
Таким образом, кристаллы, аморфные вещества, мономинеральные регаты и полиминеральные породы с момента образования и на всех :адиях их эволюции вплоть до современного состояния обладали раюй анизотропией физико-механическях свойств, которая менялась в іязя с преобразованиями этих твердых тел. Элементы, возникшие в іриода наиболее интенсивных палеотектонических воздействий, при ом частично консервировались. Выявление масштабов объемной ани-)тропии пород и руд и установление ее генетической природы дают )зможность глубже понять закономерную эволюцию петрофазической >еды структурообразования, наметить связь физико-механдчерких па-іметров с геохимическими характеристиками, геодинамическим типом доносной структуры и механизмом ее образования. Все это позволя-1 рационально вести поиски и разведку месторождений полезных делаемых.
Упругая анизотропия и методы ее определения. Анизотропные іеди могут быть выявлены при изучении любого физического или ме-ничес.-сого свойства твердых тел. Проблемы заключаются в практичной реализации этого, возможностях современной аппаратуры, вкбо-! метода интерпретации полученных результатов; необходимы эксп-ссность, надежность (воспроизводимость), простота, невысокая оимость и большая геологс-генетическая информативность по срав-:нию с другими,приемами, уже используемыми в геологии.
Всеми этими.качествами обладают ультразвуковые методы изуче-я структуры и свойств твердых тел. Создана серийная, недорогая,
простая в эксплуатации аппаратура. Она столь разнообразна, ч позволяет исследовать минеральное вещество на макроуровне (ул звуковая микроскопия), в образцах различных размеров (от неск кях миллиметров до десятков сантиметров), как на обнажениях и горных выработках, так и в скважинах установками акусгическог каротажа.
Теоретические аспекты акустических методов разработаны в рай фундаментальных трудов по физической и молекулярной акуст. Исследованы закономерности распространения, отражения и прело ния различных типов упругих волн в анизотропных средах; опред ны способы расчета упругих параметров; намечены основные зако мерности взаимосвязи акустических характеристик со строением дых тел.
Главный теоретический вывод, подтвержденный экспериментал - положение о том, что в силовом поле минеральные вещества в цессе их образования и преобразования приобретают анизотропны свойства, которые фиксируются в их молекулярном, микроскопиче и макроскопическом строении. При этом в направлении действия сималъных главных нормальных напряжений g j (растягивающие лия) в твердом теле будут возникать наибольшие значения упруг параметров (скоростей волн, модулей упругости), а в направлен действия минимальных напряжений g 3 (сжимающие усилия) - к меньшие значения этих параметров. Это положение в сочетании представлениями о генетических типах'упругой анизотропии г ее ляет основу петрофиздческото метода восстановления палеотектс ских полей напряжений.
Определение анизотропии упрутих свойств сопровождалось из рениями других оизико-механических параметров (пористости, пл ности, проницаемости и др.) по известным методикам (Старостин
- и -
388,1990). Структурно-петрофизический анализ, решая большинство здач, обладает рядом преимуществ: он применим практически ко з ем породам, менее трудоемок и дает более обширную информацию, альшое количество экспериментальных данных, получаемых при поле-іИ и лабораторных работах обрабатываются с помощью программ для ЗМ. К ним относятся программы построения круговых диаграмм тре-шоватости, для выбора структурных элементов определенного клас-1, построения суммарных диаграмм, для расчета координат осей шряжений, для определения эффективной пористости, параметров юыщения и комплексного петрофазического коэффициента.