Геолого-петрофизические характеристики месторождений золота в протерозойских углеродистых толщах Восточной Сибири как основа прогнозной интерпретации аэрогеофизических данных

Актуальность исследований. Длительность развития золотоносных провинций с месторождениями золото-углеродной рудной формации в терригенных комплексах и наличие в составе месторождений полигенных и полихронных образований с аномальными физическими свойствами обусловливает частое включение индивидуальных особенностей в их петрофизические характеристики. Специфичность характеристик может быть настолько существенной, что проявления отдельных месторождений в геофизических полях становятся непохожими друг на друга. Неустойчивость геофизических признаков месторождений чрезвычайно затрудняет геологическую интерпретацию аномалий и прогнозирование перспективных участков. Месторождения с неустановленным характером проявления в геофизических полях вероятнее всего будут пропущены, потому что заведомо как таковые не ищутся. Уровень таких ошибок может быть значительно ниже, когда появляются неформальные представления о генетических закономерностях петрофизического развития золоторудных минералообразующих систем. В диссертации приоритет в исследовании получили породы с аномальными физическими свойствами, для их изучения использовался комплекс аналитических методов, позволяющий решение как можно более широкого спектра задач генетического содержания. Рассматривается эволюция петрофизических характеристик геологических блоков с золоторудными месторождениями на этапах седиментогенеза, регионального и дислокационного метаморфизма и полихронного метасоматизма. На этой основе формируются признаки рудных узлов, структур, вмещающих рудные поля и месторождения, непродуктивных и продуктивных блоков месторождений и рудных зон, а также возможные причины вариативности этих признаков, что будет способствовать повышению поисковой эффективности геофизических методов. Степень разработанности темы. Золотометальная специализация и петрофизическая контрастность пород с углеродной минерализацией метасоматического и осадочного происхождения дали основание для оценки их гигантской ресурсной емкости, а также для широкого применения геофизических методов при их изучении. В проблеме металлоносных черных сланцев, рассматриваемых ранее исключительно как водноосадочные образования [Юдович, Кетрис, 1988], получил развитие альтернативный аспект, обусловленный обнаружениями случаев углеродного метасоматизма по сланцевому и кристаллическому субстрату в зонах разрывных нарушений [Томсон и др., 1993, 2003; Галимов, 2000; Данилова, Данилов, 2001; Кузьмин и др., 2010; Ханчук и др. 2013]. Согласованное с углеродизацией концентрирование Au до многократного превышения их протолитных кларков [Сынгаевский, Чиненов, 1998; Русинова и др., 1999] позволило сделать предположение о переносе металлов восстановленным флюидом [Иванкин и др., 1984; Тананаева, Генералов, 1993; Летников и др., 1996, Савельева и др., 1998]. Флюиды связывают с процессами дегазации жидкого ядра, формированием плюмов [Маракушев и др., 1997; Летников, 2001; Коробейников и др., 2012] и эволюцией газового потока с образованием в его составе воды, различных форм углеводородов и углекислоты [Зубков, 2001]. Аномальное продуцирование биомассы объясняют поступлением эндогенных углеводородов в бассейны осадконакопления в обстановках рифтогенеза [Сидоров, Томсон, 2000]. Важнейшим признаком рифтогенной деструкции континентальной литосферы считается формирование ассоциаций щелочных пород и карбонатитов [Зоненшайн, Кузьмин, 1983; Ярмолюк и др., 2000; Коваленко и др., 2001; Dobretsov, Vernikovsky, 2001; Добрецов, 2003; Кузьмин и др., 2003], что распространяется и на консолидированные складчатые области [Врублевский, 2003]. Щелочной уклон в магматизме способствует растворимости в магмах СН4, СО2, AuHS0 и Au(HS)2-, что приводит к образованию восстановительных и гидрокарбонатных флюидных систем, углеродных или карбонатных метасоматитов на уровне фундамента и накоплению углеродистого вещества на дне морских бассейнов, а также массовому приносу золота в верхнюю часть литосферы [Маракушев и др., 1997, 1998; Маракушев, Русинов, 2005]. В работе рассматриваются неопротерозойские месторождения, развитые в палео- (Тонодский район Патомского нагорья) и мезопротерозойских (Енисейский кряж) терригенных комплексах. Геологическая интерпретация физических полей всегда предполагала наличие априорных знаний о петрофизической неоднородности прогнозируемых объектов. Геофизические и петрофизические характеристики золоторудных месторождений вызывают постоянный интерес многих геологов и геофизиков. На примере разномасштабных металлогенических объектов России [Номоконова, 1972, 1999; Мозголин, 1983; Коробейников и др., 1987, 1986, 2013, 2015; Ерофеев, 1989; Безер, 1993; Лебедь и др., 2006; Пустозёров, 2008; Шарафутдинов и др., 2008; Сердюк и др., 2010; Сердюк, Кириленко, 2013; Номоконова, Колмаков А.Ю., 2013; Татьков, 2015; Портнов, 2020], США, Новой Зеландии, Соломоновых островов [Irvine, Smith , 1990], Австралии [Hill, 1994; Fallon, 1994; Sexton, 1994; Coggon, Rutherford, 1994; Vella, 1994; Direen et al., 2008], Швеции [Sandrin A., Elming Sten-Ake, 2006], Египта [El-Sadek, 2009] рассматривались закономерности распределения золотой минерализации в породах с аномальными физическими свойствами. Традиционно изучение петрофизических неоднородностей осуществлялось способом модельного представления целой группы однотипных месторождений. Для месторождений с сильно отличающимся проявлением в физических полях строилась своя модель. Так как этот процесс бесконечен, неизбежно столкновение с необходимостью прогнозного заключения по участку с незнакомой аномальной обстановкой. Цель и задачи исследований. Концептуальные геолого-петрофизические характеристики золоторудных месторождений в древних метаосадочных толщах Патомского нагорья и Енисейского кряжа с системным анализом структурновещественных комплексов, формирующихся на подготовительных и ключевых рубежах рудогенеза, для прогноза перспективных участков по аэрогеофизическим данным. Для достижения цели требуется решение следующих задач. 1. Изучение структуры разномасштабных геофизических аномалий рудных узлов, полей, месторождений и отдельных золоторудных зон и тел. 2. Определение петрофизических параметров вмещающих пород, околорудных метасоматитов и руд и их неоднородностей, создающих аномалии, на основе результатов диагностики рудоконтролирующих и рудовмещающих структур и вещественного состава пород и руд. 3. Обоснование изменений петрофизических характеристик пород, метасоматитов и руд, преобладавших в различные тектономагматические и металлогенические этапы развития рассматриваемых золотоносных провинций. 4. Неформальное геолого-генетическое исследование эволюции петрофизических характеристик золотого оруденения с целью создания основы прогнозного анализа аэрогеофизических материалов. 5. Апробация геолого-петрофизических характеристик на аэрогеофизических материалах Партизанского рудного узла для прогноза участков, перспективных на золотое оруденение/ Фактический материал и методы исследования. В основу диссертации легли результаты исследований геофизических полей, физических свойств и вещественного состава пород на природных объектах двух золотоносных провинций – Енисейского кряжа и Патомского нагорья. Базовыми объектами послужили месторождения Благодатное (Енисейский кряж, Верхне-Енашиминский рудный узел) и Чертово Корыто (Патомское нагорье, Кевактинский рудный узел). Также привлекались наземные и аэрогеофизические материалы по Партизанскому рудному узлу и, входящим в его состав, Герфед-Николаевскому и Урало-Васильевскому рудным полям и месторождениям Герфед, Архангельское, Васильевское (Енисейский кряж) и по Кевактинскому рудному узлу и Артемьевскому рудному полю в его составе (Патомское нагорье). Поскольку для решения задач диссертации применялся обширный комплекс методов, многие исследования проводились вместе с разными специалистами. Геолого-структурное картирование месторождений с привлечением геофизических данных – с А.М. Сазоновым, И.В. Кучеренко, И.Ф. Гертнером, П.А. Тишиным, Р.Ю. Гавриловым. Изучение их петрофизической неоднородности методами каппаметрии (29870 измерений), гидростатического взвешивания (256 измерений), электродных потенциалов (180 измерений) – с Потехиной Е.В., Губиным И.А., Соколовым С.В., В.В. Серовым. Минералогический анализ петрофизических неоднородностей по шлифам (31 шл.) и аншлифам (12 аншл.) – с А.М. Сазоновым, И.В. Кучеренко, Л.А. Краснощековой, Т.Е. Мартыновой, химический состав – методами РФА (79 анализов), НАА (300 анализов), ICP-MS (30 анализов). Микрозондовый анализ и сканирующая электронная микроскопия с применением рентгеновской спектрометрии минеральных фаз рудных элементов (55 анализов), REE и РАЭ (62 анализа) – с А.М. Сазоновым, А.П. Зайченко, С.С. Ильенком. Оценка золотоносности (пробирный анализ: 4300 определений – данные ЗАО «ЗК Полюс») и магнитной восприимчивости сульфидных парагенезисов – с А.М. Сазоновым, С.И Леонтьевым, В.В. Врублевским. Влияние структуры сульфидных агрегатов и ориентировки зерен пирротина (электронная микроскопия) на магнитную анизотропию пород – с С.В. Соколовым, Т.Е. Мартыновой, В.П. Меркуловым. Математическое моделирование магнитного поля от магнито-анизотропной среды – с Е.В. Гусевым, С.В. Соколовым. В диссертации использовались опубликованные данные по составу флюидных газово-жидких включений в кварце, термобарометрии минералов и геохронологии месторождения Благодатного (А.А. Томиленко, Н.А. Гибшер, А.М. Сазонов, И.Ф. Гертнер, Е.А. Звягина, Т.В. Полева). Фактический материал получен автором при проведении работ в рамках договорного сотрудничества с ЗАО «ЗК Полюс» (2002-2003 г.), ЗАО «Тонода» (2006-2007 г.), ЗАО «Васильевский рудник» (2015 г.) и госконтракта ГК 2.435С.2009 с Федеральным агентством по образованию (2009-2010 г.). Личный вклад автора. Автором формулировалась цель и задачи диссертационной работы. Определялся комплекс методов и выполнялись полевые геофизические и петрофизических исследования месторождений Благодатное и Чертово Корыто. Принималось участие в геофизических исследованиях участка Коноваловского (Енисейский кряж). Составлялась петрофизическая коллекция и осуществлялось лабораторное изучение физических свойств пород и руд месторождений: магнитных (скалярных и векторных); плотностных; электрических (электродные потенциалы). Исследовалась магнитная восприимчивость сульфидных парагенезисов в связи со стехиометрическим составом ассоциирующих пиритов, магнитная анизотропия пород в связи с ориентировкой сульфидных агрегатов и зерен пирротина, составлялись петромагнитные разрезы месторожденй. Выбирался комплекс аналитических методов и проводилось изучение вещественного состава пород с аномальными физическими свойствами методами РФА, НАА, ICP-MS и минеральных фаз редкоземельных и радиоактивных элементов методом сканирующей электронной микроскопия и рентгеновской спектрометрии. Анализировались описания шлифов. Давалась трактовка всех полученных результатов. В работе приводится авторская геологическая интерпретация 25 разномасштабных геофизических полей наземных и аэрогеофизических, генетическая реконструкция эволюции петрофизических характеристик золотого оруденения и прогноз перспективного участка Подголечного в Партизанском золоторудном узле. Обоснованность и достоверность. Природа аномалий и вещественная неоднородность продуктивных минерализованных зон изучались путем детальных геолого-петрофизических и геохимических исследований на керне 61 разведочных скважин общей протяженностью 11875 м. Построение физических полей и различных графических изображений осуществлялось с применением программы Surfer и CorelDRW. Особенности морфологии магнитных аномалий от пологозалегающих структур моделировались математически с использованием наблюденных параметров естественной остаточной намагниченности и программы Excel. Генетическая реконструкция петрофизической зональности базировалась на результатах анализа вещественного состава пород с аномальными физическими свойствами, полученных в аттестованных аналитических центрах ИГМ СО РАН (РОСС RU. 0001.510590), количественного химического анализа ядерно-физическими методами НИ ТПУ (РОСС RU. 0001.516338) и НИ ТГУ. Научная новизна. Впервые на основании системного изучения пород с аномальными физическими свойствами обоснованы петрофизические характеристики геологических блоков с золоторудными месторождениями в протерозойских метаосадочных толщах Патомского нагорья и Енисейского кряжа, отражающие условия их формирования. 1. Изучены петрофизические характеристики месторождений Чертово Корыто и Благодатного (соответственно Патомское нагорье и Енисейский кряж). 2. Осуществлена типизация пород с аномальными физическими свойствами, соотнесены их возрасты с основными рубежами развития месторождений и известными датировками продуктов тектономагматических процессов – индикаторов геодинамических режимов развития металлогенических провинций. 3. Дана детальная петрофизическая характеристика структурно-вещественных комплексов, проявленных на ключевых этапах становления месторождений. 4. Выявлены условия образования пород с аномальными физическими свойствами и факторы, определяющие петрофизическую вариативность минералообразующих систем на отдельных этапах их развития. 5. Выполнена реконструкция петрофизической эволюции продуктивных минералообразующих систем от седиментогенеза и полиметаморфической дифференциации вмещающих пород до полихронного метасоматизма рудоносных зон и концентрирования золота в рудных телах. Теоретическая и практическая значимость исследований. По результатам исследований установлены причины появления аномальных свойств в породах полиметаморфических и гидротермально-метасоматических комплексов. Преобразования регионального метаморфизма привели к перераспределению РАЭ, развитию по аутигенным пириту и углеродистому веществу магнитного пирротина и электронопроводящего графита, связыванию избыточной серы в новообразованном пирите. Локальный дислокационный метаморфизм в синколизионных структурах обусловил появление линейных зон высокоомных окварцованных пород, а также магнитных (пирротинизированных) и низкоомных (графитизированных) образований в отложениях с синосадочными пиритом и углеродистым веществом. Умеренно кислый высоко восстановленный раствор способствовал кислотному выщелачиванию и перераспределению оснований и петроплотностной дифференциации метасоматитов, реакции диспропорционирования с участием углеродных компонентов – к образованию графита и высокой поляризуемости метасоматитов. Гидро-карбонтно-сульфидный состав и широкий диапазон температур раствора рудного этапа определил появление пород с чрезвычайно контрастными физическими свойствами. В условиях наиболее высоких температур подавлялись реакции образования карбонатов, породы с графитом сохраняли электродные потенциалы. При этом активно выносились РАЭ, особенно U. Снижение температуры приводило к связыванию углекислоты в карбонатах, утрачиванию породами электродных потенциалов и зональному распределению РАЭ. Магнитная восприимчивость сульфидных руд зависит от соотношения пирита и пирротина в их составе. Максимальная доля пирротина в рудном парагенезисе и его магнитная восприимчивость достигается в условиях повышенных температур. На материалах Партизанского рудного узла показано практическое применение установленных петрофизических характеристик золотого оруденения для прогнозной интерпретации аэрогеофизических полей, выявлен новый перспективный участок Подголечный. Методические приемы, применяемые в диссертации, эффективно использованы для картирования щелочно-ультраосновных и -основных плутонов Маймеча-Котуйской провинции [Gertner et al., 2012] и Кузнецкого Алатау [Mustafaev et al., 2020] при поисках золото-платиноидных и нефелиновых руд. Основные защищаемые положения 1. В Енисейском кряже и Патомском нагорье вдоль систем рифтогенных разломов в границах рудных узлов развиты радиогеохимические ореолы с двукратным и более превышением фоновых концентраций. Часто в связи с такими ореолами отмечаются вытянутые гравитационные (до + 4 мГл) и магнитные (от -200 до + 700 нТл) аномалии от фрагментов поясов даек основного состава. В случаях полифациального регионального метаморфизма пород развивались узловые петрофизические зоны: выноса и накопления радиоактивных элементов; магнитных пород с пирротином и немагнитных – с пиритом; электрохимически активных пород низкого сопротивления с графитом и пород высокого сопротивления с неполяризующимся углеродистым веществом. 2. Геофизические аномалии от структур, вмещающих золоторудные поля и месторождения, имеют линейную форму. В Тонодском районе Патомского нагорья – естественные электрические аномалии (до -800 мВ) от зон рассланцевания и дробления палеопротерозойского заложения с графитовой минерализацией. В Енисейском кряже – аномалии сопротивлений (до 15000 Омм), магнитные (до 650 нТл) и естественные электрические (до -250 мВ) от зон локального динамометаморфизма коллизионных надвигов неопротерозоя; аномалии обусловлены метаморфогенным окварцеванием пород и образованием пирротина и графита по аутигенному пириту и углеродистому веществу. 3. Петрофизические характеристики коренных месторождений золота и их аномальные проявления зависят от их локального распределения. Признаки месторождений в узловых зонах с пирротиновой и графитовой минерализацией включают магнитные (до 400 нТл) и естественные электрические аномалии (до -700 мВ). В зонах с пиритовой минерализацией нет магнитных аномалий, в зонах с неполяризующимся углеродистым веществом отсутствуют естественные электрические аномалии. 4. В непродуктивных блоках минерализованных зон всех изученных месторождений выявлены радиогеохимические аномалии, входящие в структуру узловых ореолов. Они создаются дорудными углеродными низкотемпературными метасоматитами региональнометасоматического класса: кислотными глиноземистыми кварц-мусковитовыми и сопряженными с ними основными магнезиально-железистыми мусковит-хлоритовыми. Их петрофизические характеристики включают высокие электродные потенциалы на графите 344 мВ и концентрации радиоактивных элементов: U – 11,5 г/т, Th – 31,1 г/т, K – 4,5 %, Th/U – 2,7; низкие магнитные восприимчивости 15*10-5 ед. СИ и удельные электрические сопротивления 100 Омм; пониженные плотности кварц-мусковитовых 2,56 г/см3 и повышенные – мусковит-хлоритовых 2,78 г/см3 разновидностей. 5. В продуктивных блоках минерализованных зон рудного этапа имеются образования с контрастными петрофизическими характеристиками. Среднетемпературные кварцмусковитовые метасоматиты подрудных участков выражены высокими электродными потенциалами, связанными с графитом (до 312 мВ), и обеднением радиоактивными элементами, особенно ураном (U – 3,3 г/т Th – 24,1 г/т, K – 2,5 %, Th/U – 6,4). Слабоизмененные породы с рассеянной карбонатной минерализацией, вмещающие околорудные березиты и рудные тела, отражаются отсутствием электродных потенциалов, зональным распределением Th и U относительно рудных тел (Th/U от 20,6 до 0,9). Рудам свойственна аномальная магнитная восприимчивость, меняющаяся от 1500*10-5 в корневых участках рудных тел до 70*10-5 ед. СИ на их верхних уровнях в зависимости от соотношения пирротина и пирита в рудном парагенезисе. Апробация результатов исследования. Исходные данные и основные положения были представлены на международных и всероссийских конференциях: «Геология и полезные ископаемые Красноярского края, Прибайкалья и Забайкалья, современные методы поисков и разведки» (Красноярск, 1990, 1999, 2001, 2016; Улан-Удэ, 2010; Иркутск, 2016); «Геофизические методы при разведке недр и экологических исследованиях»; «Горно-геологическое образование в Сибири»; «Петрология магматических и метаморфических комплексов» (Томск, 1996, 2001, 2003, 2004, 2007, 2011, 2016, 2018); «Российская Арктика: геологическая история, минерагения, геоэкология» (Санкт-Петербург, 2002); «Тектонические закономерности размещения полезных ископаемых», «Geochemistry of alkaline rocks» (Москва, 2005, 2010); «Международная конференция геофизиков и геологов» (Тюмень, 2007); «Глубинное строение. Геодинамика. Тепловое поле Земли. Интерпретация геофизических полей» (Екатеринбург, 2009, 2011); конференция имени В.М. Гольдшмидта (Прага, 2011); «Теория и практика разведочной и промысловой геофизики» (Пермь, 2016).