Необходимость генетического подхода к истолкованию геологических закономерностей и прогнозу рудных месторождений признавалась подавляющим большинством геологов во все времена, однако в постсоветское, не лучшее для геологической науки, время активно ранее обсуждавшаяся проблема механизма образования (генезиса) рудных месторождений отошла на задний план. В наследие от мировой и советской геологической науки прошлого века российской геологии достались доминирующие теории гидротермального рудогенеза (Эммонс, Линдгрен, Ниггли, Заварицкий, др.), охватывающие широкий круг рудных месторождений.
Базовая и исторически первая из них - постмагматическая (или ортомагматическая) основывается на двух эмпирических геологических фактах. Во-первых, достаточно тесной и устойчивой пространственной ассоциации некоторых типов месторождений (в первую очередь, т.н. «грейзеновых» редкометалльных) с магматическими телами гранитоидов. И, во-вторых, локализацией руд в связи с ореолами пород гидротермального происхождения, более поздних (наложенных) по отношению к исходным осадочным и магматическим породам. Предполагается, что гранитоидная магма в процессе кристаллизации выделяет («отщепляет») мигрирующую по неким проницаемым каналам в земной коре (разломам, зонам трещиноватости, др.) рудоносную газово-жидкую субстанцию (флюиды, гидротермы), из которой в благоприятных геолого-геохимических условиях (на «геохимических барьерах») осаждается рудное вещество.
Весьма значительная часть рудных месторождений не обнаруживала явной связи с магматическими телами и это породило «интрателлурическую» модификацию постмагматической теории (или «термальную» по Линдгрену). Рудоносными в ней постулируются т.н. «интрателлурические» гидротермальные растворы или флюиды, транспортируюшие рудное вещество по разломам земной коры из неведомого глубинного, наиболее вероятно – магматического, не доступного (пока) для прямого исследования очага. В рамках этой версии иногда допускается и сверхглубинный источник рудоносных флюидов, например, мантийный.
Весьма распространенные месторождения других типов руд (в первую очередь, основных руд золота), в явной и тесной связи с которыми ни магматические тела, ни сколько-нибудь значимо проявленные ореолы гидротермальных пород не устанавливаются, но широко развит зональный метаморфизм вмещающих эти месторождения осадочных пород, обусловили появление в 70х-80х годах новаторской по отношению к первым двум метаморфогенно-гидротермальной рудогенетической концепции (Буряк, Сапрыкин, др.). Происходящие под воздействием температуры и давления широкомасштабные минерально-петрографические преобразования горных пород (региональный метаморфизм) порождают в качестве сопутствующего явления опять таки газово-жидкие флюиды или растворы, которые на путях миграции мобилизуют содержащееся в исходных породах не концентрированное рудное вещество и переносят его в место с благоприятными для осаждения и концентрации руд физико-химическими условиями.
За длительное время существования этих теорий геологами накоплен и проанализирован огромный фактический геологический материал, выявлены новые эмпирические закономерности локализации рудных месторождений. Многие из вновь получаемых фактов втискиваются в рамки гидротермальных теорий с очень большой натяжкой, а некоторые просто противоречат и потому адептами теории обычно отторгаются. С не меньшим трудом притягивается соответствие теоретических положений законам физики и химии (в части растворимости рудных элементов – того же золота, например, в части миграции гидротерм на большие расстояния сквозь плотную массу породы, др.).
Гидротермальные теории не поддаются экспериментальной проверке на моделях и тем более, в натуре, и практически бесплодны - кроме все тех же нескольких базовых эмпирических закономерностей, на которых эти теории и строились, ничего нового для геологоразведки из них не следует: гранитоидные магматические тела, ореолы гидротермальных пород, разломы земной коры (в качестве предполагаемых каналов транспорта рудного вещества), и в рамках метаморфогенно-гидротермальной концепции - области зонального метаморфизма.
Между тем, еще раз подчеркну, что необходимость создания плодотворной для поисковой геологоразведочной практики теории рудогенеза никогда большинством ученых и практиков геологов не оспаривалась. В связи с этим, автором-геофизиком предпринята попытка выработки излагаемой ниже концепции рудогенетического преобразования вещества земной коры, основывающейся на классических физических законах и твердо установленных физико-химических явлениях.
1. Тектонические структуры тангенциального штампового сжатия
В ряде восточно-азиатских рудных районов просматривается геометрическая однотипность разломного тектонического строения поверхности, выраженная в развитии секториальных систем разломов. Стороны секторов образуют пучки радиальных линейно-дуговых разломов, исходящих из углов тектонических блоков прямоугольной формы, а растворы секторов замыкают трещины отрыва(?), субпараллельные фронтам вершинных прямоугольных блоков (рис.1).
Намечающаяся закономерность строения разломных тектонических систем крупных участков земной коры наводит на мысль о единой причине образования такого рода структур с явным горизонтальным (тангенциальным) вектором развития. Наиболее приемлемым объяснением их формирования является гипотеза действия тектонического штампа с тангенциальным вектором стрессового давления.
Возникающие в связи с глобальными плитнотектоническими явлениями горизонтальные давления и напряжения в земной коре обуславливают радикальные перестройки слагающих ее горных пород. Процесс перестроек многоэтапный и многоуровневый. При превышении предела упругости сталкивающиеся плиты земной коры подвергаются пластическим деформациям, затем, при превышении предела прочности, раскалываются на блоки, происходят смещения этих блоков по вектору давления, механические напряжения перераспределяются в соответствии с новой блоковой структурой, крупные блоки в свою очередь деформируются и раскалываются на более мелкие, и т.д. Наиболее очевидными современными индикаторами горизонтальных (тангенциальных) палеотектонических процессов являются надвиговые, шарьяжные структуры.
Блоки, испытывающие и фронтально передающие стрессовое давление, выступают в роли тектонических штампов, перед фронтами которых развиваются физико-геологические структуры соответствующего штампу масштаба с весьма характерными особенностями строения. Особенности строения штамповых структур определяются полем механических напряжений перед фронтом штампа. Представление о характере штампового поля механических напряжений дают результаты тектонофизического моделирования, изображенные на рис.2 [2].
Штамповое поле напряжений в однородной среде имеет характерную «бабочкообразную» конфигурацию, определяющуюся расходящимися из угловых точек штампа ветвями максимумов и обладающую зеркальной симметрией относительно биссектрисы угла раствора (вектора штампового стресса). Разломы предстоящей фронту штампа среды определяются траекториями главных напряжений, которые и обуславливают развитие тектонических композиций секториального типа. Непосредственно перед фронтом штампа локализуется минимум напряжений (область всестороннего сжатия), ограниченный ветвями боковых максимумов и фронтальным повышением напряжений. При продвижении штампового блока по вектору стресса - внедрении штампа в предстоящую среду, - поле напряжений перераспределяется в соответствии с новой блоково-штамповой структурой и свойствами предстоящей фронту штампа среды.
Отправным пунктом при выделении отпечатков работы штампового поля напряжений в прошлые геологические эпохи служит разрывная тектоника – разломы земной коры. Во всех концепциях гидротермального рудогенеза разломы трактуются в качестве растворо- или флюидо- (и соответственно, рудо-) подводящих каналов, считаются одним из важнейших рудоконтролирующих факторов. В связи с этим их картирование относится к числу важнейших, тщательно решаемых задач.
Кроме секториальной тектонической композиции и ее зеркальной симметрии относительно биссектрисы угла сектора, в отпечатках тангенциальных штамповых структур можно ожидать также выраженную в чем-либо особенность геологического строения участка, соответствующего области всестороннего сжатия - локализованному минимуму напряжений перед фронтом штампа.
Структуры, представленные на рис.3, характеризуют Селемджинский и Комсомольский рудные районы российского Дальнего Востока. В этих районах усматриваются не только дизъюнктивно-тектонические, но и дополнительные признаки структур тангенциального штампа.
В Селемджинском районе (рис.3А), кроме наличия секториальной зеркально-симметричной тектонической композиции, в предполагаемой области нахождения собственно штампа (в вершинной части сектора), закартирован несколько перекошенный, но близкий к прямоугольному шарьяжный блок, трактуемый в качестве прямого признака действия тангенциального штампа на локальном участке. Охватывающий большую часть структуры фронтальный региональный гравитационный минимум по своей конфигурации параллелизуется с областью пониженных напряжений, заключенной между ветвями максимумов, вероятно характеризуя зону разуплотнения пород в результате непосредственного воздействия поля напряжений. В центральной части предполагаемой области всестороннего сжатия (минимума напряжений перед фронтом штампа, см. выше), в связи с локальным гравитационным максимумом (вероятно отражающем наличие выжатого в условиях всестороннего сжатия тектонического купола) располагается золотое оруденение Токурского рудного узла.
В области раствора Селемджинской секториальной структуры, вдоль предполагаемых ветвей максимумов напряжений, распространена оловорудная минерализация. Золотая и оловянная минерализации локализуются в различных, но похоже, что определенных для каждого вида оруденения изодинамических зонах поля напряжений.
На рис.3Б изображены разрывная тектоника, рельеф поверхности и размещение оловорудных месторождений Комсомольского рудного узла Хабаровского края. Здесь рельеф поверхности (неупругая деформация поверхностного слоя пород) подчинена структуре поля напряжений в условиях штампового сжатия с одновременным «продольным расплющиванием» и деформацией верхнего слоя горизонтально-слоистой среды под воздействием тангенциального штампового стресса с вектором восток-юго-восточного направления. Моделирование продольного расплющивания изображено на врезке [2, с.243]. В Комсомольском рудном районе оловорудные и золотые (не принципиально, что последние - на уровне ореольных) концентрации располагаются в тектонической композиции (т.е. в предполагаемой структуре действовавшего поля напряжений) практически в тех же пространственных взаимоотношениях, что и в Селемджинском рудном районе. Таким образом, можно говорить о намечающейся закономерности локализации разных типов рудной минерализации в структуре штампового поля механических напряжений.
В Селемджинской и особенно в Комсомольской тектонических композициях просматриваются иерархические взаимоотношения разноранговых структур, развивающихся в связи с перестройками тектонического плана, выкалыванием более локальных штамповых блоков и в связи с этим, – перераспределением напряжений. Распределение крупных рудных объектов подчиняется наиболее высокоранговым структурам. Пространственно-геометрические закономерности штампового поля напряжений в некоторых рудных районах можно усмотреть вплоть до ранга рудных полей месторождений (рис.4).
Привлечение в качестве предполагаемых отпечатков разноплановых геологических, геофизических и геохимических фактов обусловлено недостаточной, но главным образом, неадекватной обсуждаемому вопросу изученностью подавляющего большинства регионов. Однако составить представительный однородный ряд неоспоримо соответствующих модельному полю напряжений даже только тектонических композиций-отпечатков не реально не только по этой причине. Очевидно, что главным фактором является то, что структура поля напряжений в земной коре всегда несоизмеримо более сложна, чем модельная в искусственной однородной. Осложнения по отношению к модели в структуре естественного поля напряжений (проявляющиеся, соответственно, и в отпечатках - продуктах его действия) могут быть обусловлены несколькими факторами. Наиболее представимыми из них являются исходная петрофизическая неоднородность пород, на которые накладывается штамповое поле напряжений; а также более, чем вероятная неоднократная суперпозиция разноранговых структур, как сформированных в различные геологические эпохи («тектоноциклы»), так и сменяющихся при тектонических перестройках в рамках одного тектоноцикла, когда эволюционные периоды нагнетания напряжений прерываются их разрядками, разломами, перестройками тектонического плана с соответствующим перераспределением напряжений.
Проглядывающее закономерное, подчиненное строению штампового поля напряжений, распределение рудных концентраций в Селемджинской и Комсомольской структурах (менее заметные признаки аналогичных закономерностей присутствуют и в других структурах предположительно штампового происхождения) естественно требует выдвижения гипотезы о причине этого явления, - конструирования вероятного механизма рудогенной пространственной дифференциации охваченного механическими напряжениями вещества горных пород.
2. Механизм рудогенной дифференциации вещества земной коры
В принципе, штамповое поле напряжений могло бы непосредственно выступать в качестве директивного для гидротерм любого происхождения, скажем, в роли фактора, определяющего пути их миграции и пространственное распределение их продуктов – гидротермальных пород (метасоматитов) и руд. Из гидротермальных концепций наименее противоречиво со штамповыми структурами видимо мог бы быть увязан метаморфогенно-гидротермальный механизм (В.А.Буряк, Ю.Н.Размахнин, Е.П.Сапрыкин, др.), предполагающий генерацию гидротерм и гидротермальный транспорт рассеянного в породах и мобилизуемого гидротермами вещества в генетической связи с динамотермальным метаморфизмом, - прямым продуктом механических напряжений в горных породах. Возможность собственно гидротермального транспорта вещества вообще говоря, не отрицается (хотя в таких масштабах трудно представима), но здесь и не обсуждается, так как вопрос «встраивания» гидротермального или метаморфогенно-гидротермального процесса в директивные рамки штамповой структуры не входит в задачу настоящей работы. Учитывая длительность существования и, в связи с этим, теоретическую псевдоразработанность гидротермальных воззрений, такое рассмотрение требует обстоятельного критического подхода и уводит в сторону авторскую содержательную линию работы.
На обсуждение здесь выносится только принципиально иной - электрогеохимический - способ дифференциации вещества горных пород. Представления об электрогеохимическом механизме базируются на известных физико-химических явлениях, а главным, фактически - единственным необходимым и достаточным условием его работы является наличие электрического поля (поля электродвижущих сил), основная причина становления которого в механически напряженных участках земной коры лежит, что называется, «на поверхности»: это пьезо- и/или сейсмоэлектрическая поляризация тел горных пород.
Широкомасштабная электрическая поляризация тел горных пород в естественных условиях земной коры – явление практически не изученное, хотя принципиальное существование пьезоэлектрического эффекта в поликристаллических горных породах установлено еще в 50х-60х годах [3]. Известно возникновение электрических явлений в деформируемых материалах, у которых пьезоэффект отсутствует [4]. Изучение электрических свойств твёрдого тела и возникновения зарядов в процессе деформирования непьезоэлектриков началось с работы А.Ф.Иоффе в 1926 году, когда было обнаружено возрастание ионной проводимости в кристаллах NaCl под воздействием сжатия и пластической деформации. Обнаруженный эффект вскоре был воспроизведен и дополнен исследованиями Дьюлаи и Хартли (1928), чье имя он в итоге и получил («эффект Дьюлаи-Хартли»). В 1933 году А.В.Степанов установил, что сжатие и пластическая деформация кристалла каменной соли (непьезоэлектрика) приводит к появлению электрических зарядов на приклеенных к образцу металлических обкладках. Впоследствии эксперименты вышли за рамки ионных кристаллов и этот эффект наблюдался на довольно представительных образцах поликристаллических горных пород размерами до нескольких кубических метров. Однако до настоящего времени фактор пьезо- и/или сейсмо-электрической поляризации механически напряженных поликристаллических горных пород в прикладной (геологоразведочной) геофизике практически не рассматривался и не учитывался в качестве масштабного источника естественного электрического поля (ЕЭП) земли, хотя в 70х-80х годах в разных районах выявлено наличие интенсивных региональных геоэлектрических аномалий, природа которых не установлена.
Роль ЕЭП как фактора локального электрогеохимического перераспределения рудного вещества при образовании на месторождениях зон вторичного сульфидного обогащения в 60х-70х годах исследовалась и обосновывалась Г.Б.Свешниковым, Ю.С.Рыссом, М.А.Холмянским, др. Предпринимались попытки ранжировать рудно-минералогическую зональность этих зон по электродным потенциалам рудных минералов, но сколько-нибудь четких закономерностей установлено не было.
Наиболее основательно электрогеохимия геологических, в т.ч. рудогенных процессов в лабораторных и натурных экспериментах в 70х-80х годах изучалась И.А.Хайретдиновым [6,7,8]. Фактически им создано новое направление в геологической науке, не получившее, к сожалению, должного отклика и дальнейшего развития. В работах обосновывается определяющая роль палеоэлектрогеохимических процессов в формировании ряда геологических образований. В основном электрогеохимическая интерпретация касается образования локальных моно- и полиминеральных агрегатов (в первую очередь, конкреций, стяжений), в меньшей мере – относительно небольших геологических тел (дайковых, жильных, в т.ч. рудных) и их минералогической и геохимической зональности. Применительно к более крупным геологическим образованиям И.А.Хайретдиновым предпринята единичная попытка электрогеохимической интерпретации строения полиметаллического рудного узла, контролируемого Подольской кольцевой структурой. На поверхности структура характеризуется зонально-кольцевым распределением геохимических и геофизических аномалий и проявлений рудной минерализации [8, с.101-106]. Она развивается в связи с вулканическим аппаратом центрального типа и в электрогеохимическом плане интерпретируется в качестве «горизонтального среза торовидного естественного электрического поля», определяющего закономерно-зональное распределение рудной минерализации.
Излагаемые в настоящей работе воззрения можно, таким образом, рассматривать как в некотором роде экстраполяцию электрогеохимических идей И.А.Хайретдинова в область крупных и очень крупных (вплоть до глобальных) структур тангенциального штампового происхождения. В дополнение к вошедшим в его работы многочисленным электрогеохимическим аргументам целесообразно привести геологическое явление более общего плана, которое также можно интерпретировать в качестве свидетельства широкомасштабной (глобальной) работы природных электрохимических механизмов. Электрогеохимическая интерпретация применима к появившимся в 70е – 80е годы данным по петрогеохимической зональности эпипород и базируется на ее сопоставлении с электрохимическими свойствами участвующих в формировании зональности химических элементов.
Ю.Н.Размахниным, по данным массового исследования оловорудных полей Приморья, составлена схема петрохимической зональности колонны метасоматитов оловоносной биотит-эпипородной формации [9]. В схеме зональности закономерно чередуются группы максимумов и минимумов петрогенных элементов: в тыловых зонах «хлорит-актинолитового замещения» и «альбит-хлорит-актинолитового замещения» – максимумы закисного железа Fe2+, Mg, Ca (и минимумы Al, K); в промежуточной зоне «хлорит-актинолит-эпидотового замещения» – максимумы окисного железа Fe3+, Al; в передовой внешней зоне «кварц-серицитовых метасоматитов» – максимумы Si, K (и минимумы Ca, Mg, Na).
В.В.Ждановым, на базе обобщения материалов по ряду регионов мира, выработана следующая петрохимическая схема региональных метаморфо-метасоматических преобразований [10]:
Петрохимическая схема метасоматической триады региональных метаморфо-метасоматических формаций
| Среда | Привнос (+) и вынос (-)петрогенных элементов |
| нейтральная | - K, Na, Al, Si
+ Fe, Mg, Ca |
| кислая | - K, Na, Ca, Mg, Fe
+ Al |
| щелочная | - Ca, Mg, Fe, Al
+ K, Na, Si |
Таким образом, при развитии в геологическом пространстве полнопроявленного формационного ряда региональных метаморфо-метасоматических преобразований их петрохимическая зональность оказывается почти по всем элементам идентичной зональности колонны метасоматитов рудных полей. Можно, следовательно, полагать, что петрохимическая зональность вида:
Fe2+, Mg, Ca > Al, (Fe3+) > Si, K, (Na)
является общим (универсальным?) свойством эпигенетических преобразований самого разного масштаба и ранга.
Предполагая электрохимическую природу этой зональности, оценим миграционную способность электрически заряженных частиц - ионов в электрическом поле. Основными факторами их движения в электрическом поле являются, как подсказывают знания по физике в объеме школьного курса, заряд иона Q – чем он больше, тем миграционная способность заряженной частицы выше; и размер (радиус) иона R – чем он больше, тем миграционная способность ниже (труднее протискиваться сквозь матрицу вещества). Параметр миграционной способности можно определить тогда, в самом грубом приближении, как отношение заряда иона к его ионному радиусу (Q/R). Имея в виду дальнейшее рассмотрение электрохимического механизма следует заметить, что миграция вещества в ионной форме соответствует известному в физике явлению электрофореза. С другой стороны (геологической) ионная миграция совместима с выдвинутым Б.И.Бурдэ понятием «дифференциального транспорта вещества» в качестве основного способа массопереноса и рудогенеза [11]. Ионы же различных элементов и соединений постоянно присутствуют в породах за счет электролитической диссоциации, термической, ударной, иных способов ионизации молекул.
Исходя из этих несложных соображений, рассчитаем по справочным данным [12, с.25-28] в условных единицах значения параметра Q+/R для некоторых простых катионов. Для многих элементов, особенно металлов, существование простых ионов в естественных условиях вполне реально, т.к. они термодинамически устойчивы. Результаты расчета приведены ниже в виде таблицы.
Оценка электрохимической миграционной способности некоторых простых катионов
| Группы элементов | Простые катионы, Q+ | Ионный радиус R, А | Q+/R | Сопоставимыеметасоматические и рудноформационные парагенезисы |
| Петрогенные | Si4+ | 0.39 | 10.3 | - |
| Al3+ | 0.57 | 5.3 | Турмалин-хлоритовый | |
| Fe3+ | 0.67 | 4.5 | ||
| Al2+ | 0.76 | 2.6 | Пропилитовый | |
| Mg2+ | 0.74 | 2.7 | ||
| Fe2+ | 0.81 | 2.5 | ||
| Ca2+ | 1.05 | 1.9 | ||
| Na1+ | 0.98 | 1.03 | Щелочных метасоматитов | |
| K1+ | 1.33 | 0.75 | ||
| Рудогенные | Sn4+ | 0.71 | 6.0 | «Грейзеновые», Sn-, W-, Mo-кварцевые |
| Mo4+ | 0.68 | 6.0 | ||
| W4+ | 0.68 | 6.0 | ||
| As3+ | 0.69 | 4.3 | Золото-сурьмяный, золото-кварцевый | |
| Au3+ | 0.85 | 3.5 | ||
| Sb3+ | 0.90 | 3.3 | ||
| Cu2+ | 0.75 | 2.7 | «Колчеданный», олово-полиметаллический | |
| Ni2+ | 0.75 | 2.7 | ||
| Co2+ | 0.78 | 2.6 | ||
| Zn2+ | 0.83 | 2.5 | ||
| Sn2+ | 1.02 | 2.0 | ||
| Pb2+ | 1.29 | 1.6 | ||
| Au1+ | 1.13 | 0.88 | Золото-серебряный | |
| Ag1+ | 1.37 | 0.73 |
Сравнивая универсальную петрохимическую зональность эпипород с «петрогенной» частью табличных данных можно сделать вывод о том, что петрохимическая зональность не просто допускает, но предполагает электрохимическую интерпретацию своей природы: группирование (парагенезисы) элементов в охваченном преобразованиями геологическом субстрате определяется близостью значений параметра электрохимической миграционной способности. Выпадает из этой закономерности кремний, вероятнее всего, по причине неправомерности его миграционного приближения в виде простого катиона.
В результате дополнения таблицы значениями Q+/R некоторых рудогенных элементов образуются элементные группы, весьма характерные для ведущих оловорудных, редкометалльных, золоторудных формаций и связанных с ними метасоматических формаций:
При всей приблизительности этих сопоставлений, обусловленной некорректностью соотнесения групп чисел с мало о чем говорящими описательными формационными классификациями (которые существенно разнятся у разных исследователей, а содержание даже вроде бы общепринятых различается в понимании многих геологов), нужно признать, что определенная, пусть неформальная сопоставимость геолого-металлогенических и электрохимических данных имеет место.
Связь движения зарядов и физико-химических преобразований среды отмечал Ю.С.Рысс, но оговаривался о сложности происходящих в породе под действием электрического тока явлений и приблизительности представлений о них [13]. Конкретное действие электрогеохимического механизма изменения состава исходных пород и зонального пространственного перераспределения элементов представляется в самых общих чертах. Вероятнее всего, это механизм исследовавшегося И.А.Хайретдиновым зонного электрофореза. В проводившихся им лабораторных экспериментах раствор при постоянной внешней ЭДС «разделяется на зоны с разным ионным составом, а отдельные ионные зоны передвигаются с одинаковой скоростью, т.е. его основой служит метод движущейся границы» [7, с.100]. Ионный состав зонных волн и их пространственное распределение определяются электрохимическими свойствами ионов в данной среде. Способом фиксации элементов в межэлектродном пространстве являются рекомбинационные электрохимические реакции: образование нейтральных соединений в связи со встречным катионному потоком электронов и простых (O2- , S2- , др.) и/или сложных (гидроксил-, сульфат-, силикат-, карбонат-, др.) анионов. Наблюдавшийся И.А.Хайретдиновым процесс образования и осаждения нейтральных ионных соединений характеризуется следующим образом: «Участок встречи анионов и катионов (тока и противотока вещества) до появления визуально заметных осадков обозначается в кювете резким скачком потенциала, …», отмечается также «повышение температуры в осадке со стороны анода обычно на единицы, редко – первые десятки градусов» [там же].
Естественными масштабными геогальваническими элементами являются сопряженные в пространстве участки земной коры с разностью потенциалов - относительно повышенными и пониженными электрическими потенциалами (аномалиями естественного электрического поля), между которыми протекает ионно-электронный ток. Каждая из аномалий вероятно участвует в качестве геоэлектрода одновременно во многих разноранговых геогальванических парах; геогальванические элементы будут, таким образом, как правило, сложными многоэлектродными. Возможно, основным проводником ионного тока служит насыщающая матрицу горных пород вода, и в этом случае процесс можно было бы определить как гидро(термально?)-электрохимический; но вполне возможен ионный ток и через «сухую» матрицу породы: в напряженных, подвергаемых сжатию и деформации горных породах проявляется эффект Дьюлаи-Хартли (см. выше) – возрастание ионной проводимости твёрдого тела, плохого проводника в обычных условиях.
Согласно развиваемым здесь представлениям композиция геогальванических элементов изменчива во времени и пространстве, динамична даже на стадии эволюционного развития штамповой структуры (не говоря уже о перераспределениях потенциалов при тектонических перестройках). Динамические аномалии потенциала в качестве дополнительных, накладывающихся на исходное электрическое поле геоэлектродов могут возникать в развивающейся штамповой структуре по нескольким причинам. Образующиеся в процессе тектоногенно-электрохимической дифференциации вещества концентрации электроннопроводящей минерализации (сульфидной рудной, углеродистой) репродуцируют локальные аномалии ЕЭП, являющиеся целевым предметом выявления в поисково-разведочном геофизическом методе ЕП, – т.н. «рудные электрические поля» [14]. Вклад в осложнения тектоногенного электрического поля могут вносить и локальные динамические аномалии ЕЭП иной природы, связываемые с окислительно-восстановительными реакциями, фильтрационными и диффузионно-адсорбционными явлениями, обусловленными наличием и движением в породах растворов разных концентраций и химического состава; кроме того, нестационарные поля теллурических токов и грозовых разрядов.
С тектоногенно-электрогеохимических позиций без натяжек и дополнительных условий интерпретируется природа связи оруденения с кварцевыми, турмалиновыми агрегатами (особенно жильными), а также гранитоидами. Являясь концентраторами минералов–пьезоэлектриков, такие геологические тела в поле напряжений выступают в роли продуцентов локальных мощных геогальванических элементов (контрастно аномальных осложнений электрического поля), обуславливающих электрохимическую концентрацию рудного вещества в локальных объемах, до масштабов месторождений. Такого рода геогальванические элементы могут возникать в связи с попадающими под воздействие штампового поля напряжений пьезоэлектрическими агрегатами, охватываемыми полем напряжений в качестве геолого-петрофизических неоднородностей исходного субстрата (образовавшихся в предыдущие геологические эпохи); но возможно также и сформированными в рамках единого тектоноцикла на ранних стадиях его развития.
С точки зрения классической физики электрические явления в геогальванических элементах с разностью потенциалов первые вольты следует определить как слаботочные преимущественно ионные (в качестве носителя тока), но чрезвычайно длительно, в течение геологического времени, функционирующие. Сочетание этих факторов является вероятно главной причиной масштабной рудогенной дифференциации корового вещества.
3. Функциональная схема тектоногенно-электрогеохимического процесса
Тектоногенно-электрогеохимическую версию процесса дифференциации вещества земной коры, инициированного штамповым давлением тектонических блоков и напряжениями в земной коре, приводящими к становлению поля поляризационных геоэлектрических потенциалов и миграции ионов, можно изобразить в виде цепочки причинно-следственных связей:
P-б-dUуэп-I-dqi
Здесь обозначены: P – штамповое давление (тектонического блока); б – поле напряжений в горных породах (перед его фронтом); dUеэп – поле пьезосейсмоэлектрических потенциалов (ЕЭП, продуцируемое полем напряжений и соответствующее его структуре); I – ионный ток в геогальванических элементах ЕЭП; dqi – пространственное перераспределение вещества в качестве одного из результирующих продуктов тектоногенно-электрогеохимического процесса.
Эта основная (с точки зрения формирования рудных концентраций) линия сопровождается развитием представимых из соображений обычной логики сопутствующих явлений. Гипотетическое представление о процессе тектоногенного преобразования вещества земной коры изображено в виде функциональной схемы на рис.5.
Прежде всего, можно представить себе серию минеральных преобразований, обусловленных непосредственно полем механических напряжений, тепловыми полями различной природы, а также собственно электрогеохимическим процессом.
Как упоминалось выше, минеральные преобразования в штамповой структуре, генерируемые непосредственно механическими напряжениями, соответствуют в геологической терминологии региональному динамометаморфизму (точнее, исходя из термодинамики состояния системы, динамотермальному).
Вторым источником минеральных преобразований возможно является тепловое поле, обязанное своим происхождением разогреву пород под действием протекающих в системе геогальванических элементов электрических токов. Минеральные преобразования токовой природы должны иметь в целом нелокальное и неоднородное пространственное распределение, определяемое композицией геогальванических элементов. Накладываясь на динамотермальные преобразования, токовый разогрев может обуславливать появление в ареалах регионально метаморфизованных пород участков повышенного термального метаморфизма, явным образом пространственно не связанных с интрузиями гранитоидов.
Существенным источником тепловых минеральных преобразований вероятно служат электрохимические реакции на электродных участках геогальванических элементов. Этот способ разогрева относительно локален, но может быть, наиболее интенсивен и обуславливает контрастные минеральные преобразования, «прогрессивные» в смысле термодинамической упорядоченности процесса. Не исключено, что электродные реакции с интенсивным выделением тепла могут приводить и к локальному расплавлению пород с образованием на месте автохтонных магматических тел (палингенезу), закономерно располагающихся в метаморфо-метасоматической зональности.
Как упоминалось выше, ионно-рекомбинационный разогрев осадков в районе анода наблюдался в эксперименте И.А.Хайретдиновым (см. выше). Обычные экзотермические реакции ионообменного типа если и имеют место, то вряд ли вносят в условиях работы геогальванического элемента заметный тепловой вклад в минеральные преобразования.
Перечисленные тепловые минеральные преобразования характеризуют прогрессивную фазу развития процесса. Развивающиеся в связи с разрядкой напряжений регрессивные (опять же в смысле термодинамической упорядоченности) гидротермальные, диафторитовые преобразования выступают в предлагаемой схеме рис.5 конечной и по-видимому, в отношении большинства рудных элементов, – изохимичной (не продуктивной, если не деструктивной) фазой минеральных перестроек.
В ходе проводившихся автором аэрогеофизических исследований рудных районов неоднократно возникали вопросы о причинах несоответствий в пространственной локализации метасоматитов – в представлении большинства геологов контрастно минералогически выраженных регрессивных гидротермалитов, – по геофизическим и минералого-петрографическим данным. Несоответствия выражаются в не выделении в геофизических полях участков контрастного гидротермального метасоматоза и наоборот, в физико-радиогеохимической аномальности пород с минералогически слабо выраженными гидротермальными изменениями. С позиций развиваемой здесь концепции причины этих неувязок понятны – они обусловлены несовпадением на «субгенетическом» уровне и возможно в пространстве минеральных и петрогеохимических преобразований, - разветвлении корневого процесса на относительно независимо развивающиеся ветви-подпроцессы.
4. Геофизические проявления тектоногенно-электрогеохимических преобразований
С позиций прикладной геологоразведочной геофизики – сферы научно-производственной деятельности автора, - интересны и важны геофизические аспекты работы тектоногенного штампового механизма, генетическое обоснование применимости геофизических отпечатков в качестве прогнозно-поисковых критериев оруденения и соответствие этому обоснованию эмпирических данных, полученных в практике геологоразведочных работ. Основные логически и физически представимые геофизические проявления тектоногенно-электрогеохимического процесса изображены на схеме рис.5, наряду с минералогическими и петрогеохимическими.
В отношении гамма-спектрометрических (радиогеохимических) данных ситуация вроде бы более или менее ясна: пространственные распределения радиоактивных элементов, так же, как и иных химических элементов, характеризуют непосредственно петрогеохимический аспект преобразований (электрогеохимическую миграцию вещества). Концентрации радионуклидов должны являться почти прямыми поисковыми признаками руд элементов, тесно ассоциирующих с ними на шкале электрохимической миграционной способности по значениям параметра Q+/R. Весьма характерная, ставшая в петрогеохимии и геофизике (гамма-спектрометрии) стандартным поисковым признаком, ассоциация концентраций калия (Q+/R=0.75) с серебром (Q+/R=0.73) и золотом (Q+/R=0.88) следует непосредственно из таблицы. Катион тория Th3+ характеризуется значением Q+/R=2.8; по этой величине он близок к редкоземельным элементам La3+ - 2.7, Ce3+ - 2.9, Y3+ - 3.1; и действительно торий концентрируется в земной коре вместе с TR. Измеренные гамма-спектрометрическим методом концентрации тория служат поисковым признаком редкоземельного оруденения, а также опосредованно – связанных со щелочно-ультраосновными породами комплексных руд, систематически содержащих повышенные количества тория и редких земель.
Катионы элементов уранового ряда радиоактивного распада имеют широкий диапазон Q+/R – от 1.4 (Ra2+) до 7.2 (U6+), а большинство их соединений хорошо растворимы и подвижны, в том числе в экзогенных процессах. По этим причинам данные гамма-спектрометрических измерений концентраций урана наименее однозначны из трех естественных радионуклидов в качестве поискового признака рудной нерадиоактивной минерализации, хотя по электрохимическим свойствам могут ассоциировать и действительно во многих случаях ассоциируют с широким кругом руд нерадиоактивных элементов.
Источники изменения магнитных свойств пород в рамках схемы процесса многовариантны.
Региональные (охватывающие штамповую структуру в целом) магнитные преобразования могут происходить непосредственно в поле механических напряжений: изменяется намагниченность пород за счет пьезо-(сейсмо-)магнитной компоненты. По данным F.D.Stacey (1964) при напряжениях 10 МПа в породах средней намагниченности сейсмомагнитный эффект может достигать десятков нТл; Y.Kato & A.Takagi (1953) говорят о сотнях нТл для высоко магнитных пород при их сильном сжатии. Источником региональных магнитных изменений может являться также метаморфизм исходной ферромагнитной минерализации.
В числе локальных квазистационарных источников магнитного поля в первую очередь следует назвать наиболее очевидные - концентрации рудной ферромагнитной минерализации, формирующейся в результате собственно петрогеохимических преобразований (геоэлектрохимического процесса). Аномалии этой природы по информационно-поисковой значимости близки к радиогеохимическим, однако кроме них источниками локальных компонент магнитного поля могут являться намагниченные тела иного происхождения.
В геомагнитном поле при переходе температуры через точку Кюри изменяется термокомпонента остаточной намагниченности пород. Источниками термического изменения магнитных свойств могут являться тепловые поля токового происхождения и электродных реакций. Образованные в этих тепловых полях магнитные тела вероятно относительно локальны (особенно электродного происхождения), а вызванные ими аномалии сопоставимы с рудными геоэлектрохимической природы. В силу довольно близкой, хотя и не прямой (опосредованной через тепловые поля) связи с электрохимической миграцией вещества в геогальваническом элементе, они служат косвенным рудоконтролирующим фактором, информационный потенциал которого примерно равноценен минеральному прогнозному фактору метасоматитов (прогрессивных и регрессивных).
В условиях работы естественного геогальванического элемента не исключено образование высокомагнитных пленок элементарного железа при катодном преобразовании железистых минералов (например, хлорита), установленное Ю.С.Рыссом и М.А.Черфасом (1982) в лабораторных экспериментах. Вызванные участками концентрации таких магнитных пленок аномалии могут участвовать в формировании высокочастотной компоненты магнитного поля. Как прямой продукт работы геогальванического элемента и индикатор положения геоэлектрода, пленочная магнитная минерализация информационно равнозначна и в магнитном поле не отличима от тепловой электродной и собственно электрохимической.
Преобразования завершающей регрессивной стадии также приводят к изменению магнитных свойств пород: как правило, к разрушению ферромагнетиков и в среднем к снижению намагниченности пород.
Плотностные изменения и вызванные ими вариации поля силы тяжести могут происходить в региональном масштабе в непосредственной связи с действием поля механических напряжений; и более или менее локально на участках электрохимической концентрации-обеднения различными химическими элементами и соединениями. Последняя, локальная или дифференциальная составляющая гравитационного поля (обусловленная плотностными неоднородностями за счет изменения элементно-минерального состава пород) не требует особых обсуждений. Региональные плотностные преобразования, вызванные изменением пористости пород в поле механических напряжений, иллюстрируются гравитационной аномалией «штамповой» морфологии, изображенной на рис.3.
Резюмируя краткое рассмотрение геофизических и геолого-геохимических проявлений работы тектоногенно-электрогеохимического механизма, целесообразно выделить следующие ключевые моменты.
Во всех геофизических полях присутствуют компоненты, прямо связанные с концентрацией оруденения единой ветвью тектоногенного процесса –электрогеохимической дифференциацией вещества. В гамма-спектрометрии это контрастные локальные аномалии концентраций ЕРЭ, которые служат индикаторами некоторых рудных элементов, тесно ассоциирующих с радионуклидами на электрохимической шкале: концентрации калия – для золото-серебряного оруденения, концентрации тория – для редкоземельной минерализации (а также, естественно, и собственных концентраций урана и тория). В магнитометрии и гравиметрии прямыми продуктами дифференциации вещества являются локальные аномалии, обусловленные концентрацией петрофизически аномальной рудной минерализации.
По информационной значимости такие локальные геофизические признаки, которые можно отнести в группу «прямых» (употребительный в разведочной геофизике, но неопределенно трактуемый термин) и в достаточной степени однозначных, сопоставимы с геологическими находками рудного вещества и с геохимическими аномалиями собственных концентраций искомого рудного элемента, а также наиболее тесно по электрохимическим параметрам сопутствующих основному рудному компоненту элементов - например, аномалии серебра и сурьмы для золоторудных концентраций.
Применительно к иным типам рудной минерализации распределение радионуклидов информационно сопоставимо с геохимическим полем электрохимически удаленных от искомой рудной минерализации элементов, и наиболее эффективно может использоваться в качестве фактора выявления пространственных параметров строения штамповой структуры.
Магнитные аномалии теплового (джоулева и электродно-химического) происхождения могут рассматриваться как информационные аналоги метаморфо-метасоматитов прогрессивной стадии и развивающихся по ним регрессивных гидротермалитов и диафторитов. В норме такие магнитные (и минеральные) аномалии не являются прямыми индикаторами рудоконцентрирующих участков, а фиксируют пространственную структуру геогальванических элементов - расположение палеоэлектродов. Наиболее эффективно их использование в комплексе с радиогеохимическими полями для геоисторической реконструкции штамповой структуры. Существенную роль в определении обобщенных контуров, основных черт строения, создании генерального «каркаса» штамповой структуры могут играть компоненты магнитного и гравитационного полей, продуцируемые непосредственно полем напряжений, – если, конечно, оказывается возможным вычленить их из интегрального поля. В информационном плане собственно тектоногенные геофизические проявления сопоставимы с региональным динамотермальным метаморфизмом.
Методология прогнозирования путем реконструкции штамповых структур складывается, таким образом, из следующих стадий:
Эта последовательность в общем не противоречит выработанной многолетней геологической практикой методологии геологоразведочных работ, по крайней мере, в их фактологической части. На обсуждение выносится лишь новый генетический подход к интерпретационной части работ, к проблеме взаимоувязки геологических, геохимических и геофизических фактов, хотя не исключено, что в дальнейшем на базе концепции тектоногенно-электрохимического механизма преобразований могут появиться и новые технологии геологоразведочных работ. Сегодня же, с помощью (пере) интерпретационного анализа в новом генетическом аспекте накопленного фактического геолого-геофизико-геохимического материала, а также его пополнения на важнейших объектах данными современного уровня, с относительно небольшими затратами может быть ощутимо повышена эффективность прогнозно-поисковых работ во многих горно-промышленных районах. Важнейшим фактором прогноза становится место выделяемого участка в реконструкции тангенциального штампового сжатия, - штампового поля напряжений и, соответственно, поля электрических потенциалов.
5. Позиция Норильского рудного района с точки зрения развития тангенциально-штамповой структуры
Норильский рудный район привлек внимание в качестве тестового по нескольким причинам. Уникальность выявленных много десятилетий назад рудных объектов сочетается с очень слабой изученностью региона и практическим отсутствием критериев прогноза. Крайне неблагоприятны для геологических построений прогнозно-минерагенической направленности закрытость большей части территории мезозойскими осадками к западу и северу от Норильска, и широкое распространение покровных вулканитов Тунгусской синеклизы на востоке. При этом, на территорию ТАО имеется составленная в 2002 году по ретроматериалам современная геофизическая основа масштаба 1:1000000 – цифровые модели (матрицы) гравитационного и магнитного полей.
Названные причины обусловили попытку реконструкции по геофизическим данным предположительно определяющей позицию рудного района тангенциально-штамповой структуры. Для этого по матрицам геофизических полей с помощью расчета градиентов и определения трехмерных координат сингулярных источников (точек тектонических контактов) произведено трассирование линейной (разрывной) тектоники. Результаты линеаментно-тектонических построений изображены на рис.7.
Аномалии градиентов отображают тектонику относительно неглубокого заложения, композиция которой трактуется в качестве системы трещин отрыва, замыкающих раствор предполагаемой секториальной структуры тангенциального штампа. Вдоль фронта этой системы локализуются все основные рудные объекты Норильского района. В распределении глубинных сингулярных источников поля силы тяжести под мезозойскими осадками краевой части Западно-Сибирской плиты и Енисей-Хатангского прогиба, не вполне однозначно, но все же проглядывают граничные радиальные тектонические зоны. В совокупности с системой фронтальных трещин отрыва формируется довольно похожая на структуры тангенциального штампа композиция с восток-юго-восточным вектором развития (стресса). Исходя из соображений зеркальной симметрии структуры относительно биссектрисы угла сектора, перспективен для поисков медно-никелевого оруденения в кристаллическом основании южный (Игарский) фланг рудоконтролирующей зоны субмеридионального простирания. Выявленные здесь в мезозоидах проявления медистых песчаников следует, в такой интерпретации, рассматривать в качестве геохимического индикатора наличия медно-никелевого оруденения в фундаменте (переотложенной в мезозойское время минерализации).
Фронт штампа скрыт под чехлом осадков Западно-Сибирской плиты, вероятно значительно западнее изображенной на рис.7 площади. В предфронтальной области, по аналогии, например, с Селемджинской структурой (рис.3А), там можно предполагать локализацию в породах кристаллического основания, под мезозойскими осадками, крупного (если судить по масштабам развития тангенциально-штамповой структуры в целом и оруденения Норильского района) скопления золотой минерализации.
Формирование медно-никелевого оруденения в связи с развитием тангенциально-штамповой структуры вполне можно представить не противоречащим общепринятым магматическим генетическим воззрениям. В стадии эволюционного развития тангенциально-штамповой структуры электрогеохимическим путем происходила концентрация петро- и рудогенных элементов в локальных объемах, находящихся в экстремальных физико-химических (электротермодинамических) условиях. Эволюционная стадия завершилась растрескиванием коры и разрядкой напряжений, вскипанием рудоконцентрирующих объемов и переходом их в состояние магмы. На магматической стадии и произошла ликвационная дифференциация магматических тел с обособлением концентрированного оруденения. По-видимому, могут иметь место и не вскипевшие (не магматизированные), не подвергшиеся последующей ликвации рудоносные объемы. При одинаковых объемах перспективы образования концентрированного оруденения в не подвергшихся магматизации и ликвации породах будут, вероятно, заметно более низкими.
Интуитивно представляется, что в общем случае для формирования объектов-гигантов типа Норильска-Талнаха наиболее благоприятен режим длительного эволюционного развития тангенциально-штамповой структуры, без радикальных тектонических перестроек и перераспределений напряжений.
В заключение автор считает нужным акцентировать тот момент, что тектоногенно-электрогеохимическое преобразование вещества, как физико-химический процесс, неоспоримо реален для ординарных условий верхнего слоя земной коры, принципиальных препятствий для его работы нет. Он безусловно имеет место и в современных геодинамических системах, поддается исследованию на физико-математических и имитационных моделях, а также в натурных экспериментах. Дискуссионными пока могут оставаться вопросы о масштабах проявления процесса в земной коре, степени значимости в эндогенном эпигенезе в целом и рудогенезе в частности, соотношениях с конкурирующими (в традиционных представлениях) процессами.
Для формализованного описания и моделирования процесса может, вероятно, быть использован математический аппарат не очень пока распространенной в нашей стране теории перколяции (протекания, - в частности, тока) [15].
Предлагаемая схема тектоногенно-электрогеохимического преобразования вещества земной коры предполагает множество выводов и следствий, охватывающих большинство аспектов прикладной геологоразведочной практики и тестируемых самыми разноплановыми геологическими фактами. Настоящей работой очерчены лишь обобщенные контуры концепции в надежде на ее обсуждение, тестирование, развитие и пополнение фактологическими аргументами (и контраргументами) уцелевшей геологической общественностью. Положительный, но пока единственный отклик предлагаемая схема получила еще в своей предварительной версии от геохимиков [16, с.145-147].
ЛИТЕРАТУРА
1. Альтшулер М.И., Кузьмин Г.И. Крупномасштабный прогноз золоторудных объектов по комплексным аэрогеофизическим данным. Методическое пособие. /С-Пб., изд. ВИРГ-Рудгеофизика, 1993.
2. Гзовский М.В. Основы тектонофизики. /М., Наука, 1975
3. Воларович М.П., Пархоменко Э.И., Соболев Г.А. Исследование пьезоэлектрического эффекта кварцсодержащих горных пород. /Докл. АН СССР, 1959, т.128, №3.
4. Гохберг М.Б., Моргунов В.А., Похотелов О.А. Сейсмоэлектромагнитные явления. /М., Наука, 1988.
5. Свешников Г.Б., Рысс Ю.С., Аузин А.К. Естественное электрическое поле как фактор образования зоны вторичного обогащения на сульфидных месторождениях. /В сб. Вопросы геофизики. Уч. записки ЛГУ, серия физ. и геол. наук, 1963, вып. 14.
6. Хайретдинов И.А. Введение в электрогеохимию. /М., Наука, 1980.
7. Хайретдинов И.А. Основы электрогеохимии литогенеза и гидротермального процесса. /М., Наука, 1982.
8. Хайретдинов И.А. Основы электрогеохимии магматических и метаморфических процессов. / М., Наука, 1990.
9. Размахнин Ю.Н. Основные черты геохимии метасоматитов оловоносных полей Сихоте-Алиня и их металлогеническое значение. /«Геохимия», 1973, №4.
10. Жданов В.В., Беляев Г.М., Блюман Б.А. и др. Региональные метаморфо-метасоматические формации. Принципы и методы оценки рудоносных геологических формаций. /Л., Недра, 1983.
11. Бурдэ Б.И. Дифференциальный транспорт вещества и структура геологического пространства. /Тихоокеанская геология, 1986, №2.
12. Войткевич Г.В., Мирошников А.Е., Поваренных А.С., Прохоров В.Г. Краткий справочник по геохимии. /М., Недра, 1970.
13. Рысс Ю.С. Геоэлектрохимические методы разведки. /Л., Недра, 1983.
14. Семенов А.С. Электроразведка методом естественного электрического поля. /Л., Недра, 1980.
15. Тарасевич Ю.Ю. Перколяция: теория, приложения, алгоритмы. /М., изд. «Едиториал УРСС», 2002. http://mathmod.aspu.ru/
16. Питулько В.М., Крицук И.Н. Основы интерпретации данных поисковой геохимии. /Л., Недра, 1990.
17. Белевцев Я.Н. Метаморфогенное рудообразование. /М., Недра, 1979.
18. Буряк В.А. Метаморфизм и рудообразование./М., Недра, 1982.
19. Сапрыкин Е.П. Метаморфогенно-гидротермальное рудообразование. /М., Недра, 1980.
20. Карта разломов территории СССР и сопредельных стран. /Гл. ред. Сидоренко А.В., 1978.
21. Геологическая карта северо-западной части Тихоокеанского подвижного пояса. /Гл. ред. Красный Л.И., 1964.