НАУКИ О ЗЕМЛЕ

В области наук о Земле за отчетный период получены результаты, открывающие новые горизонты в наиболее приоритетных направлениях исследований XXI в. Это прогноз климатических изменений на континентах Северного полушария, включая реакцию криолитозоны на эти изменения, открытие газогидратов в приповерхностном слое осадков оз. Байкал, обоснование нового типа высокоалмазных кимберлитов, создание новых геофизических методик изучения внутреннего строения Земли и т.д. Многие полученные результаты имеют комплексный характер, что свидетельствует об усилении интеграционных процессов в исследованиях институтов Отделения.

ОБЩЕЕ СТРОЕНИЕ ЗЕМЛИ И ГЕОДИНАМИКА

В Институте земной коры составлена карта напряженного состояния верхней части литосферы Земли, в которой выделены шесть главных типов напряженных состояний и установлены закономерности в их расположении на поверхности Земли (рис. 5.1). Области растяжения и сжатия имеют линейно вытянутую форму и ориентированы в меридиональном и широтном направлениях. Области сдвиговых напряжений охватывают преимущественно Центральную Азию и пограничные территории между областями сжатия и растяжения. Области с нейтральным напряженным состоянием занимают большую часть поверхности Земли и характеризуются изометричной формой. Выполненная работа открывает возможности комплексного использования полученных данных для геодинамических построений.

Рис. 5.1. Карта напряженного состояния верхней части литосферы Земли. Типы напряженного состояния литосферы и соотношения вертикального sz максимального sx и минимального sy горизонтальных напряжений сжатия: 1 – области растяжения sz>sy>sx; 2 – области растяжения со сдвигом sz=sy>>sx; 3 – области сдвига sx>sz>sy; 4 – области сжатия со сдвигом sx>>sy=sz; 5 – области сжатия sx>sy>sz; 6 – области тектонически нейтрального напряженного состояния sz>sx=sy; 7 – области с неустановленным типом напряженного состояния; 8 – границы основных литосферных плит.

В том же Институте подготовлен комплект карт по геодинамической активности Азии. Каждая из карт представляет собой оригинальную работу, аргументированно показывающую одну из главных составляющих современной геодинамики. В комплект входят: Карта активных разломов Азии; Карта напряженного состояния литосферы Азии; Карта активных вулканов; Карта толщины литосферы; Карта движений блоков литосферы по результатам GPS-геодезии (рис. 5.2). Все карты выполнены в компьютерной форме.

Рис. 5.2. Карта активных разломов и векторов скоростей современных горизонтальных движений блоков литосферы Азии (по данным наблюдений на постоянных пунктах методом GPS-геодезии с использованием данных Скриппсовского океанографического института, США). Слой IV к карте "Современная геодинамика Азии".
1 – 4 – активные разломы: 1 – сбросы, 2 – взбросы и надвиги, 3 – сдвиги, 4 – с неустановленным знаком смещения; 5 – векторы скоростей современных горизонтальных движений с зллипсами ошибок; 6 – масштаб векторов скоростей.

В Институте геологии ОИГГМ создана сейсмическая модель литосферы Центральной Азии по данным о скоростях продольных сейсмических волн (Р), отраженных от дневной поверхности исследуемого района (рис. 5.3). Разработанный метод позволяет изучать структуру и физическое состояние мантии "немых" областей до глубин более 400 км. Понижение скорости сейсмических волн обусловлено аномальным прогревом недр (отрицательные аномалии), а высокие скорости связаны с холодными участками мантии (положительные аномалии). Для активных областей Азии надежно выделяются холодный Монголо-Тувинский и Казахский блоки, горячая, пластичная литосфера Алтая и востока Хангая. В центре Сибирского кратона обнаружена отрицательная аномальная область, коррелируемая с областью повышенного теплового потока, что может свидетельствовать о прогреве литосферы кратона плюмом в триасе.

Рис. 5.3. Аномалии Р-скоростей центральной Азии.

 

Рис. 5.4. Палинспастическая реконструкция севера Тихоокеанского обрамления на средний девон – начало раннего карбона.

В Институте геологии алмаза и благородных металлов построена серия из девяти палинспастических карт, начиная со среднего девона и до современности, на территорию Северо-Востока Азии, Аляски, Канадских Кордильер и о-ва Хоккайдо Японии, базирующихся на ранее выполненном террейновом анализе, палеомагнитных и палеобиогеографических данных (рис. 5.4). Выделены системы протяженных островных дуг и активных континентальных окраин, океанических и орогенных структур различного возраста, общих для Северной Америки и Северо-Востока Азии. Дезинтеграция выделенных структур происходила как в процессе их аккреции к континентам, так и в последующем в результате крупномасштабных перемещений по сдвигам вдоль границы "континент – океан". В результате раскрыта тектоническая эволюция севера Тихоокеанского обрамления, увязанная с историей формирования металлогенических поясов.


ОСАДОЧНЫЕ БАССЕЙНЫ, СТРАТИГРАФИЯ, ПАЛЕОНТОЛОГИЯ

Лимнологическим институтом совместно с Институтом геохимии и Королевским музеем Центральной Африки (Бельгия) впервые обнаружены в поверхностном слое донных осадков (0,35 м) Южного Байкала кристаллы газовых гидратов. Высокоразрешающее сейсмопрофилирование и другие геофизические методы позволили идентифицировать на дне геоморфологические (вентовые) структуры, которые могут служить местами выхода метана из газовых гидратов в воду озера. В этом районе обнаружены нетипичные для Южного Байкала особенности вертикального распределения температуры в глубинной и придонной зонах (рис. 5.5): постоянство температуры от 1000 до 1150 м может свидетельствовать о вызванном поступлением метана конвективном перемешивании слоя воды толщиной более 100 м, а понижение температуры придонного слоя указывает на охлаждение, возможно, за счет фазового перехода газовых гидратов. Впервые получены новые данные о биологических сообществах в местах выхода метана, отличающихся большим разнообразием фауны олигохет, остракод, нематод, циклопов, хирономид. Их количество здесь превышает типичное для открытых глубоководных районов Байкала.


Рис. 5.5. Температура воды вблизи зоны разгрузки газов в Южном Байкале, 18.02.2000 г.

В Институте геологии нефти и газа ОИГГМ создан атлас из 40 электронных карт масштаба 1:10 000 000 и 1:5 000 000 для 5 стратиграфических комплексов мезозоя Западно-Сибирской провинции (нижняя и средняя юра, верхняя юра, берриас-готерив, готерив-апт, ачимовская толща) по следующим физико-химическим характеристикам нефтей: плотность, содержание серы, содержание асфальтенов, содержание смол, выход фракции до 200 °С, отношение метановых углеводородов к нафтеновым во фракции до 300 °С, содержание твердых парафинов, отношение пристана к фитану. Информация, содержащаяся в атласе, позволяет прогнозировать свойства, товарные качества и стоимость нефтей при прогнозе нефтегазоносности, при составлении технико-экономических проектов с целью лицензирования нераспределенного фонда нефтей, при определении уровней добычи нефти и возможных сценариев развития нефтегазового комплекса Западной Сибири, при прогнозе развития нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности в России.

Сотрудниками того же Института в юго-восточной части Западно-Сибирской равнины выявлена новая Предъенисейская нефтегазоносная провинция (рис. 5.6). Здесь установлено широкое распространение рифейских, вендских и палеозойских образований, которые по составу и степени дислоцированности сходны с одновозрастными толщами западной части Сибирской платформы. Высокая потенциальная нефтегазоносность домезозойских отложений доказана прямыми признаками. В одной из скважин обнаружены проявления нефти, которая по углеводородам – биомаркерам – сходна с нефтями Юрубченского месторождения западной части Сибирской платформы. По предварительной оценке извлекаемые ресурсы нефти здесь могут составить не менее 3800 млн т, газа – 570 млрд м3, конденсата – 39 млн т.

 

Рис. 5.6. Схематическая карта прогноза нефтегазоносности позднего докембрия и палеозоя юго-востока Западной Сибири.
1 – изогипсы по отражающему горизонту Б (подошва нижнего кембрия); 2 – дизьюнктивные нарушения; 3 – зоны потери отражения горизонта Б в сводовых частях контрастных дислокаций. Перспективность земель: 4 – высокоперспективные; 5 – малоперспективные; б- бесперспективные.

  

Рис. 5.7. Масс-хроматограммы нефтей Вилюйской синеклизы. Звездочкой отмечен новый биомаркер – диагопан (пик 31).

Институтом проблем нефти и газа ОИФТПС в верхнепалеозойских и мезозойских нефтях Вилюйского бассейна идентифицирован углеводород – биомаркер 17a(H) диагопан, который не характерен для нефтей других бассейнов Сибирской платформы (рис. 5.7). Другой биомаркер – 28,30a(H) 21b(Н) бисноргопан – характерен только для юрских битумов Мунского поднятия. Для всего комплекса биомаркеров показано, что битумы Мунского поднятия генетически не связаны с одновозрастными нефтями Вилюйского бассейна и имеют свой собственный "очаг" нефтегазообразования.

Институтом угля и углехимии экспериментально подтверждена возможность существенного изменения реакционной способности углей в процессе термического растворения путем их предварительного озонирования, основанная на наличии в составе угольного вещества полиареновых ядер, имеющих высокую селективность взаимодействия с озоном. На примере липтобиолитового угля (естественный концентрат петрографического компонента – липтинита) показано, что термодеструкция угля значительно (в 1,5-2 раза) интенсифицируется в низкотемпературной области (рис. 5.8, а). При этом существенно (в 2-3 раза) снижается выход высокомолекулярных продуктов (рис. 5.8, б), уменьшаются средняя молекулярная масса и число ароматических колец в асфальтенах (рис. 5.8, в, г), что свидетельствует о более глубоком распаде полиароматических фрагментов макромолекул озонированного угля.

Рис. 5.8. Зависимость степени конверсии (а), доли асфальтенов в жидких продуктах (б), средней молекулярной массы (в) и числа ароматических блоков в асфальтенах (г) от температуры терморастворения Барзасского угля в тетралине (скорость нагрева 2 град/мин).

Сотрудниками Института геологии нефти и газа ОИГГМ на основе анализа микробиот Сибири и мировых данных выделены четыре этапа эволюции позднедокембрийских водорослевых сообществ (рис 5.9): керпыльский – 1 100-1 000 млн лет (первое появление акантоморфных и стриатных акритарх), лахандинский – 1 000-850 млн лет (существенное увеличение разнообразия бентосных эукариот), байкальский – 850-650 млн лет (значительное расширение подгруппы акантоморфит) и вендский – 650-550 млн лет (многократное увеличение разнообразия как планктонных, так и бентосных эукариот).

Рис. 5.9. Схема вертикального распространения эукариот позднего докембрия.

 

ПЕТРОЛОГИЯ, ГЕОХИМИЯ, МИНЕРАЛЬНЫЕ РЕСУРСЫ

Институтом минералогии и петрографии ОИГГМ впервые для природных оливинов повышенной железистости с содержанием Fo [100 Mg/(Mg+Fe)] < 90 выявлена аномально высокая примесь NiO, превышающая 0,5 мас. % (рис. 5.10). Такие оливины установлены в виде включений в серии микроалмазов (< 1 мм) из кимберлитовых трубок Юбилейная и Сытыканская в Якутии. Эти особенности состава свидетельствуют об образовании части микроалмазов, в отличие от макроалмазов (> 1 мм), в силикатном субстрате повышенной железистости с высоким содержанием ортопироксена в результате сложных реакционных взаимоотношений глубинного субстрата и расплава.


Рис. 5.10. Соотношение содержания форстерита (Fо) и примеси NiO в оливинах микроалмазов из кимберлитовых трубок Юбилейная (1) и Сытыканская (2). Замкнутый контур ограничивает область состава 99 % оливинов из макроалмазов.

В том же Институте впервые обнаружены и изучены при помощи оптической микроскопии, КР-спектроскопии и микротермометрии флюидные и расплавные включения в синтетических алмазах, полученных в карбонат-углеродных системах при температуре 1700 °С и давлении 70 кбар (рис. 5.11). Показано, что в составе флюидных включений, наряду с углекислотой (КР-линия 1 384 cм-1) и, иногда, метаном (КР-линия 2 909 cм-1), присутствуют кластеры аморфного углерода с полностью sp3 связями (КР-линии 1 444 cм-1 и 1 498 cм-1). Высказано обоснованное предположение, что они представляют собой промежуточное состояние углерода между графитом и алмазом, предполагавшееся в большинстве гипотез механизма нуклеации и роста алмаза, но неизвестное ранее.

 

Рис. 5.11. Микрофотографии флюидных и расплавных включений в синтетическом алмазе (а) и КР-спектр флюидного включения (б).

Сотрудниками того же Института в рамках математического моделирования впервые определена форма теплового источника при формировании метаморфической зональности в средней части земной коры. Объектом исследования явилась метаморфическая зональность Коннемара на западе Ирландии, имеющая ширину около 15 км и образованная при 4-6 кбар и 500-650 °С (рис. 5.12). Зональность возникла под действием тепла магматического интрузива с наклонным верхним контактом под углом в 20° по отношению к горизонту.

Рис. 5.12. Расчетное распределение температур вдоль горизонтального сечения (H), проходящего через верхний контакт интрузива в точке начала координат на глубине 20 км. Кровля интрузива наклонена под углом 20° вдоль оси абсцисс. Модельная длительность эволюции температур ограничена 4-5 млн лет. Штриховые линии – изохроны для разной длительности в млн лет, жирная линия – огибающая максимальных температур, римские цифры – метаморфические зоны.

Институтом геологии ОИГГМ совместно с Королевским музеем Центральной Африки (Бельгия) на основе структурных исследований Кокчетавского мегамеланжа в Северном Казахстане, известного находками микроалмов и коэсита в метаморфических породах высокого и ультравысокого давления (HP и UHP), выявлены различия в механизме эксгумации для западного алмазсодержащего блока Кумды-Коль и восточного коэситсодержащего блока Кулет (рис. 5.13). Предположено, что на ранней стадии эксгумации единый UHP клин двигался в северном направлении. В его составе Кумды-Кольский блок образовывал колчановидную складку (клин), развитие которой сопровождалось частичным плавлением пород с образованием мигматитов, тогда как Кулетский блок вел себя как более жесткая пластина. При подъеме в среднекоровые условия различия в ранней структуре привели к образованию Кумды-Кольского ромб-горста в западной части UHP клина и транспрессионной структуры в блоке Кулет.

 

Рис. 5.13. Модель формирования структуры Кокчетавского мегамеланжа. А – ранняя стадия эксгумации UHP клина, В – транспрессионная стадия в условиях субширотного сжатия.

 

Рис. 5.14. Растворимость Cd в пирротинах различной стехиометрии.

Институтом геохимии ОИГГ на примере примеси кадмия в пирротине показано значительное (на два порядка) увеличение растворимости примеси в зависимости от концентрации вакансий в кристаллах (рис. 5.14). Полученные данные позволяют сделать принципиально важный вывод о значительной роли адсорбции микроэлементов при росте кристаллов (даже в условиях высоких температур и давлений), установить механизм захвата примеси (хемосорбция с образованием переходного слоя сульфидоподобной фазы, которая сохраняется в кристалле тем лучше, чем выше скорость его роста), а также заключить, что используемые в настоящее время простые модели захвата следовых элементов в процессе роста нуждаются в серьезной корректировке. В результате общепринятый метод "появления фазы" оказывается практически не применимым для изучения вхождения микроэлементов в минералы.

Рис. 5.15. Изоморфная серия турмалинов ванадиодравит-хромдравит-дравит. Серым фоном залито поле нового минерала – ванадиодравита.

В Институте земной коры открыт новый минерал из группы турмалина – ванадиодравит NaMg3V6[Si6O18][BO3]3(OH)4 (утвержден национальной и международной комиссиями по новым минералам). Исследована уникальная серия турмалинов дравит-хромдравит-ванадиодравит, включающая бинарные непрерывные изоморфные ряды и тройные смеси во всем диапазоне (рис. 5.15).


 

Рис. 5.16. Особенности состава обычных и аномальных кимберлитов (А) и пиропов из них (Б).

В Институте минералогии и петрографии ОИГГМ открыт новый тип высокоалмазоносных кимберлитов, определены его геохимические и петрологические характеристики (рис. 5.16), установлены поисковые признаки месторождений данного типа, на основе которых найдено месторождение Снэп Лейк – крупнейшее в Канаде. Сравнительное изучение высокоалмазоносных кимберлитов показало аномальный характер геохимических и петрологических характеристик этих кимберлитов, в отличие от известных в Якутии и Африке кимберлитов групп I (связанных с примитивной мантией) и II (связанных с обогащенной мантией), более глубинный характер их мантийного источника, а также своеобразие состава и строения литосферной мантии под ними.

Геологическим институтом ОИГГ совместно с ИЭМ РАН обосновано выделение рифейской (PR2) металлогенической эпохи платинометально-медно-никелевого рудообразования (рис. 5.17), которая, в отличие от архейской и раннепротерозойской эпох, имеет не коматиитовый (ультраосновной), а толеитовый (основной) состав исходного расплава, а вмещающие ее рудоносные интрузивы относятся к дунит-троктолит-габбровой формации. Формирование последних связано с активностью мантийных плюмов в зонах континентального рифтогенеза, что обеспечивало значительный объем магмы и достаточное количество ЭПГ, Ni и Cu для формирования оруденения.


 

Рис. 5.17. Гистограмма рапределения докембрийских никеленосных комплексов.

  

Рис. 5.18. Характер замещения (а) рутениридосмина (RuIrOs) осарситом (OsIrAsS) и (б) аваруита (av) шендитом (sh) в хромититах из офиолитов юго-восточной части Восточного Саяна. Сканирующий электронный микроскоп "Jeol", режим "Compo".

Этим же Институтом совместно с Институтом геологии ОИГГМ в хромитах из офиолитов юго-восточной части Восточного Саяна обнаружены редкие минеральные срастания аваруита и шэндита с осарситом, ирарситом, руарситом, эрликманитом, туламенитом и неизвестным соединением PdIrCu (рис. 5.18). В измененных базит-гипербазитовых образованиях офиолитов выявлено и описано неизвестное ранее соединение золота, олова, меди и ртути, отвечающее составу Cu3Au1,8HgSn. Исследования в этом направлении позволили выделить новый тип благороднометального оруденения и рассматривать этот район как перспективный на обнаружение нетрадиционных типов руд золота и платиноидов.

Институтом геологии ОИГГМ на основе проведения прогнозно-металлогенических исследований Монгольского и Гобийского Алтая почти вдвое увеличены перспективы Южно-Гобийского золоторудного пояса (Монголия) как единой крупной (> 800 км) металлогенической структуры за счет выявления новых рудоносных площадей и нового для региона типа золото-ртутного оруденения (рис. 5.19).

Рис. 5.19. Схема размещения золото-ртутных месторождений в Южно-Гобийском золоторудном поясе.

В Институте геологии алмаза и благородных металлов построена геолого-генетическая модель крупнейшего на северо-востоке России полихронного Нежданинского золоторудного месторождения, отражающая метаморфогенный, магматогенный и гидротермальные (рис. 5.20) этапы его формирования. Дана ранжированная система необходимых рудоформирующих и поисковых признаков крупных месторождений, учитывающая геодинамические, глубинные и верхнекоровые структурные, магматические, минералогические и геохимические факторы зарождения и эволюции золотоносных рудно-магматических систем.

 

Рис. 5.20. Геолого-генетическая модель формирования Нежданинского золоторудного месторождения (фрагмент, отвечающий продуктивному золоторудному этапу).
1 – мигма, 2 – гранитоидная магма, 3 – гранитоиды, 4 – габбро-диориты, 5 – дайки диоритов, 6 – дайки лампрофиров, 7 – контактовые изменения, 8 – дорудные березиты, 9 – разрывные нарушения, 10 – альпийские жилы, 11 – золото-редкометальное оруденение, 12 – золото-кварцевое оруденение.

  

Рис. 5.21. График зависимости концентрации платины от содержания нерастворимого углеродистого вещества для месторождения Сухой Лог. Точки на графике соответствуют пробам из различных участков месторождения.

Институтом геохимии ОИГГ в рудах месторождения Сухой Лог выявлена новая форма нахождения платины с углеродом, кроме установленных ранее самородного состояния и в твердых растворах. Платина обнаружена в концентратах нерастворимого углеродистого вещества, выделенных из руд Сухого Лога по специальной методике (рис. 5.21). Обнаружение платины в матрице нерастворимого углеродистого вещества свидетельствует о двоякой роли углерода в рудообразующем процессе: быть элементным партнером платины при образовании металлоорганических кластерных соединений и служить средой для сохранения этих соединений, выполняя функции сорбционного барьера. Подобная закономерность установлена в рудах Сухого Лога и для золота. Показано, что методы анализа Au и Pt для руд данного типа дают заниженные данные.

Байкальским институтом природопользования БОИП разработаны технологические схемы переработки труднообогатимых руд и некондиционных концентратов с получением вольфрамовых, молибденовых, редкоземельных и калийных искусственных химических концентратов и силикатных материалов. Разработаны технологии получения элементарной серы, коллективного свинцово-цинкового и вольфрамового концентратов из сульфидных отходов Джидинского ВМК, сульфидизации окисленных минералов тяжелых цветных металлов месторождения Доватка.


В оглавление Далее