Традиционные методы поиска месторождений полезных ископаемых обычно основываются на принципе «от поверхности вглубь». Геологи изучают выходы коренных пород в оврагах и руслах рек, исследуют характерные окисленные «шляпы» рудных тел, проводят геохимическую съемку почв и фиксируют локальные магнитные аномалии. Если на поверхности или в верхних слоях удается обнаружить рудную минерализацию или геохимический шлейф, это сигнализирует о наличии перспективной зоны.
Однако этот классический подход оказывается бесполезным при поиске так называемых «слепых» месторождений. Если рудное тело скрыто под несколькими километрами сплошных пород и не имеет никаких выходов на дневную поверхность, то традиционная геология, геохимия и мелкая геофизика не способны его обнаружить. В таких случаях поиск объектов наугад может привести к значительным финансовым потерям из-за дорогостоящего глубокого бурения.
Для решения этой задачи была разработана технология трехмерного плотностного моделирования верхней части земной коры, созданная коллективом ученых Воронежского государственного университета и Геологического института Кольского научного центра РАН. В статье о ней, опубликованной в журнале «Известия Томского политехнического университета», подробно описываются методы и результаты работы исследователей, среди которых Татьяна Воронова, Ольга Муравина, Ирина Антонова и Виктор Глазнев. Это исследование является закономерным результатом многолетних усилий, направленных на комплексное моделирование строения литосферы. Ученые на протяжении десятилетий объединяли сейсмические данные, гравитационное поле и тепловой поток в единые трехмерные модели.
Метод основан на гравиметрии. Разные горные породы имеют различную плотность и создают микроскопические отклонения в гравитационном поле Земли. Для того чтобы преобразовать эти аномалии в понятную геологическую картину, алгоритм использует жесткие физические ограничения. В расчетах применяется масштабная цифровая база данных, собранная из результатов измерений образцов пород более чем из 5000 скважин, пробуренных в регионе за десятилетия.
Технология моделирования осуществляется поэтапно. На первом этапе исключаются гравитационные помехи от осадочного чехла, после чего формируется региональная модель литосферы до глубины 80 километров. На заключительном этапе выполняется детальное трехмерное моделирование верхней коры до глубины 16 километров. Ключевым аспектом является использование нормальной плотностной модели литосферы, что позволяет оперировать абсолютными значениями плотности пород и согласовывать региональные и детальные модели без геологических разрывов. Как подчеркивают авторы, основная особенность такого подхода заключается в последовательной реалистичной детализации среды по мере приближения к поверхности.
Глубина моделирования в 16 километров может вызывать вопросы: неужели речь идет о добыче руды с таких значительных глубин? Конечно, нет. Современная горнодобывающая промышленность работает на глубинах до двух-трех километров. Рекордная Кольская сверхглубокая скважина достигла чуть более 12 километров, но это сопряжено с огромными техническими трудностями из-за высоких температур и давления. Вести добычу с таких глубин сегодня не планируется и экономически нецелесообразно.
Глубокое моделирование необходимо для понимания природы формирования магматических рудных месторождений. Медно-никелевые руды и металлы платиновой группы образуются из расплавленной магмы, поднимающейся из мантии через глубокие подводящие каналы. Рудные тела обычно формируются не в узких глубинных корнях, а в более просторных магматических камерах-ловушках на глубине от одного до трех километров, где добыча уже рентабельна.
Воронежский кристаллический массив, ставший полигоном для исследований, обладает реальным минерагеническим потенциалом. Исторически бурение в регионе проводилось в том числе в зонах медно-никелевых месторождений и рудопроявлений Воронцовского террейна. Основная задача новой трехмерной методики – помочь в поиске скрытых, «слепых» продолжений известных рудных узлов. Для этого необходимо отследить путь магмы от глубинных корней до места, где она образовала богатую ловушку.
Апробация технологии на Воронежском кристаллическом массиве показала, что классические геологические карты могут не соответствовать реальному состоянию недр. Например, Павловский батолит, крупный массив гранитов, имеет на поверхности кристаллического фундамента один облик, но на глубине до восьми километров он представляет собой единое силлообразное тело с субвертикальными корневыми структурами. Более того, корневая часть батолита оказалась значительно смещена на восток относительно поверхностных очертаний. Выяснилось, что на глубине Павловский и соседние Лискинские гранитоиды имеют единую корневую область магматизма.
Ученые подчеркивают, что предложенная ими методика создает новый многостадийный подход к интерпретации данных гравиметрии. Практическая реализация такого многоуровневого подхода стала возможной благодаря широкому использованию ГИС-технологий, которые обеспечивают точную привязку всех пространственных операций в реальных географических координатах. Итоговая трехмерная модель, представленная в абсолютных значениях плотности, позволяет изучать морфологию и отслеживать на глубинные уровни относительно крупные интрузивные образования. Для Воронежского кристаллического массива это, в первую очередь, анализ корневых частей крупных интрузий основных и ультраосновных пород, с которыми связаны известные сульфидные медно-никелевые месторождения и возможные проявления металлов платиновой группы.
Созданные модели с высокой точностью отражают реальное геологическое положение исследуемых объектов, предоставляя недропользователям надежную основу для целенаправленного и экономически обоснованного поиска скрытых запасов. Более подробную информацию можно найти в публикации КНЦ РАН.